(BlackJack3D/iStock/Getty Images) Spermien sind für die Befruchtung fast aller lebenden Organismen auf unserem Planeten, einschließlich des Menschen, von entscheidender Bedeutung. Um sich zu vermehren, müssen menschliche Spermien eine Distanz von schwimmen Besteigung des Mount Everest um das Ei zu finden.
Sie beenden diese epische Reise einfach im Handumdrehen mit dem Schwanz wackeln , Flüssigkeit bewegen, um vorwärts zu schwimmen. Allerdings schaffen es über 50 Millionen Spermien nicht, die Eizelle zu erreichen – das entspricht mehr als dem Sechsfachen gesamte Bevölkerung von London oder New York – es braucht nur ein einziges Spermium, um eine Eizelle zu befruchten, aus der schließlich ein Mensch wird.
Spermien wurden erstmals 1677 entdeckt – allerdings dauerte es lange 200 Jahre bevor Wissenschaftler sich darüber einig waren, wie der Mensch tatsächlich entsteht.
Die „Präformationisten“ glaubten, dass jedes Spermatozoen einen winzigen, miniaturisierten Menschen enthielt – den Homunkulus . Sie glaubten, dass die Eizelle lediglich einen Platz für das Wachstum der Spermien bot.
Andererseits argumentierten die „Epigeneisten“, dass sowohl Männer als auch Frauen zur Entstehung eines neuen Wesens beitrugen, und Entdeckungen im 18. Jahrhundert zeigten mehr Beweise für diese Theorie .
Obwohl Wissenschaftler inzwischen besser verstehen, welche Rolle Spermien bei der Fortpflanzung spielen, unsere neueste Forschung hat herausgefunden, dass Spermien die ganze Zeit über Wissenschaftler getäuscht haben.
Eines der ersten Mikroskope wurde im 17. Jahrhundert von entwickelt Antonie van Leeuwenhoek . Er verwendete einen Tropfen geschmolzenes Glas, den er sorgfältig schliff und polierte, um eine leistungsstarke Linse herzustellen. Einige von ihnen konnten ein Objekt 270-fach vergrößern. Bemerkenswerterweise wurde dafür kein besseres Objektiv geschaffen über 200 Jahre .
Leeuwenhoeks Linsen machten ihn zum ersten Entdecker der mikroskopischen Welt, der Objekte wie Bakterien und das Innere unserer Zellen sehen konnte – und Sperma . Als Leeuwenhoek zum ersten Mal Spermien entdeckte, beschrieb er es als „ lebendes Tier ' mit einem 'Schwanz, der beim Schwimmen mit einer schlangenartigen Bewegung umschlägt, wie Aale im Wasser'.
Bemerkenswerterweise hat sich unsere Wahrnehmung darüber, wie Spermien schwimmen, seitdem nicht verändert. Wer heute ein modernes Mikroskop benutzt, macht immer noch die gleiche Beobachtung: Spermien schwimmen vorwärts, indem sie ihren Schwanz hin und her bewegen.
Aber wie unsere Neueste Forschungsergebnisse zeigen , wir haben uns in den letzten 350 Jahren tatsächlich darüber geirrt, wie Spermien schwimmen.
Mithilfe modernster 3D-Mikroskopietechnologie konnte unser Forscherteam aus Großbritannien und Mexiko das mathematisch rekonstruieren schnelle Bewegung des Spermienschwanzes in 3D. Die Größe der Spermien macht es nicht nur schwierig, sie zu untersuchen – ihr Schwanz misst nur eine halbe Haaresbreite – sie sind auch schnell.
Die peitschenartige Bewegung ihres Schwanzes ist in der Lage, mehr als 20 Schwimmzüge pro Sekunde zu machen weniger als eine Sekunde . Wir brauchten eine superschnelle Kamera, die in der Lage ist, über 55.000 Bilder in einer Sekunde aufzunehmen, montiert auf einem schnell oszillierenden Tisch, um die Probe mit unglaublich hoher Geschwindigkeit auf und ab zu bewegen und so den Spermienschwanz effektiv zu scannen, während er frei in 3D schwimmt.
Was wir fanden, überraschte uns. Wir haben herausgefunden, dass der Spermaschwanz tatsächlich schief ist und nur auf einer Seite wackelt.
Während dies bedeuten sollte, dass die Spermien bei der einseitigen Bewegung im Kreis schwimmen, haben die Spermien einen cleveren Weg gefunden, sich anzupassen und vorwärts zu schwimmen: Sie rollen beim Schwimmen, ähnlich wie Otter sich mit Korkenziehern durch Wasser bewegen. Auf diese Weise gleicht sich der wackelige einseitige Schlag aus, während das Sperma rollt und sich vorwärts bewegen kann.
Die schnelle und hochsynchrone Drehung des Spermiums erzeugt bei Betrachtung von oben mit 2D-Mikroskopen eine Illusion – der Schwanz scheint sich von einer Seite zur anderen zu bewegen.
Diese Entdeckung zeigt jedoch, dass Spermien eine Schwimmtechnik entwickelt haben, um ihre Schieflage auszugleichen. Dabei haben sie auch ein mathematisches Rätsel genial gelöst: indem sie aus Asymmetrie Symmetrie geschaffen haben.
Der Spermienkörper dreht sich gleichzeitig mit der Drehung des Schwanzes um die Schwimmrichtung. Spermien „bohren“ sich wie ein Kreisel in die Flüssigkeit, indem sie sich um sich selbst drehen, während sich ihre geneigte Achse um die Mitte dreht. Dies ist in der Physik bekannt als Präzession , ähnlich wie die Präzession der Tagundnachtgleiche auf unserem Planeten.
Computergestützte Samenanalyse (CASA)-Systeme, die heute sowohl in Kliniken als auch in der Forschung im Einsatz sind, nutzen immer noch 2D-Ansichten der Spermienbewegung. Wie Leeuwenhoeks erstes Mikroskop unterliegen sie bei der Beurteilung der Samenqualität immer noch dieser Illusion der Symmetrie. Symmetrie (oder das Fehlen davon) ist ein identifizierendes Merkmal, das möglicherweise Auswirkungen auf die Fruchtbarkeit haben .
Die wissenschaftliche Geschichte des Spermienschwanzes folgt dem Weg aller anderen Forschungsbereiche: Fortschritte beim Verständnis der Spermienbewegung hängen in hohem Maße von der Entwicklung von Technologien in der Mikroskopie, der Aufzeichnung und nun auch der mathematischen Modellierung und Datenanalyse ab.
Die heute entwickelte 3D-Mikroskopie-Technologie wird in Zukunft mit ziemlicher Sicherheit die Art und Weise verändern, wie wir Samen analysieren.
Diese neueste Entdeckung mit ihrem neuartigen Einsatz von 3D-Mikroskoptechnologie in Kombination mit Mathematik könnte neue Hoffnung für die Entschlüsselung der Geheimnisse der menschlichen Fortpflanzung geben. Mit mehr als der Hälfte der Unfruchtbarkeit verursacht durch männliche Faktoren Das Verständnis des menschlichen Spermienschwanzes ist von grundlegender Bedeutung für zukünftige Diagnosewerkzeuge zur Identifizierung ungesunder Spermien Verbesserung der Fruchtbarkeit . 
Hermes Gadêlha , Dozent für Angewandte Mathematik und Datenmodellierung, Universität Bristol .
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