Spermien können rechnen

Wie schnell sich die Kalzium-Konzentration in der Zelle ändert, bestimmt das Schwimmverhalten von Spermien. Diese können laut einer neuen Studie Bonner Forscher verblüffenderweise die Kalzium-Dynamik berechnen und darauf reagieren.

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Spermien haben nur ein Ziel: die Eizelle zu finden. Diese unterstützt die Spermien bei der Suche, indem sie Lockstoffe aussendet. Auf welchen Schwimmbahnen Spermien dem Lockruf der Eizelle folgen, hängt von der Tierart ab. Spermien – vor allem von Meeresbewohnern – schwimmen im chemischen Konzentrationsgefälle des Lockstoffes auf gewundenen Bahnen.

Die Schwimmbahn der Spermien

Der Schwimmstil wird durch Kalzium-Ionen im Spermienschwanz gesteuert. Sie bestimmen das Schlagmuster des Schwanzes, mit dem sich das Spermium fortbewegt. Man glaubte bisher, dass bei hohen Kalzium-Konzentrationen die Spermien peitschenförmig, asymmetrisch schlagen und die Schwimmbahn stark gekrümmt ist. Bei geringen Kalzium-Konzentrationen dagegen schlägt der Schwanz symmetrisch und die Spermien schwimmen geradeaus.

Das Wechselspiel von hoher und niedriger Kalzium-Konzentration treibt die Spermien auf spiralförmigen Schwimmbahnen voran. Experimente an frei schwimmenden Spermien widersprachen jedoch diesem einfachen Modell und gaben den Forschern Rätsel auf.

Laser-Beleuchtung hilft Rätsel zu lösen

Wissenschaftlern des Bonner Forschungszentrums caesar der Max-Planck-Gesellschaft ist es nun in Zusammenarbeit mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Physik Komplexer Systeme in Dresden und Physikern an der Universität Göttingen gelungen, dieses Rätsel zu lösen. Mit einer raffinierten stroboskopischen Laser-Beleuchtung – wie in Diskotheken – konnte der Leiter des Projekts Luis Alvarez die Bewegung eines Spermiums genau verfolgen und gleichzeitig die Änderungen der Kalzium-Konzentration messen.

Das Ergebnis war nach Angaben des Forschers überraschend: Der Spermienschwanz reagierte nur auf die zeitliche Ableitung der Kalzium-Konzentration. Die absolute Konzentration spielte keine Rolle. Salopp gesagt: Spermien können rechnen. Wie sie das genau machen, ist unklar. Die caesar-Wissenschaftler schlagen vor, dass Spermien mit Hilfe von zwei Proteinen, die Kalzium binden, sozusagen eine „chemische Ableitung“ bilden.

Komplizierte Rechenoperation

Doch wieso führen Spermien eine solch komplizierte Rechenoperation aus, die man erst in der gymnasialen Oberstufe lernt? In der Nähe der Eizelle ist die Konzentration der Lockstoffe und damit auch die Kalzium-Konzentration in den Spermien sehr hoch. Die Wissenschaftler vermuten, dass der mathematische Trick es den Spermien ermöglicht, selbst bei solch hohen Kalzium-Konzentrationen immer noch reagieren zu können.

Neben Kalzium gibt es viele andere Botenstoffe, die Zellfunktionen steuern. Könnte es sein, dass Zellen auch mit anderen Botenstoffen chemische Rechenkünste durchführen? Dieser wichtigen Frage wollen die Bonner Forscher nun in einem nächsten Schritt nachgehen.

(caesar – center of advanced european studies and research, 02.03.2012 – DLO)