Fliegen-Spermien: Warum sie sich nicht verheddern

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Obwohl sie im Verhältnis gigantisch lang sind und sich zu Tausenden einen winzigen Raum teilen, verheddern sich auf ihren Einsatz wartende Fliegen-Spermien nicht. Die hochbeweglichen Zellen bildeten eine Art lebender Flüssigkristall, erläutern Forscher im Fachmagazin „Nature Physics“.

Ein Spermium der Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) ist demnach rund 1,8 Millimeter lang – und damit fast so groß wie das Tier selbst. Zum Vergleich: Eine Samenzelle des rund 800 Mal größeren Menschen misst nur 0,05 Millimeter.

Der Großteil der Spermienlänge entfällt auf den Flagellum genannten Schwanz, der nadelförmige Kopf ist nur rund 0,01 Millimeter lang. Jedes Fliegenmännchen lagert jeweils Tausende der aktiven Zellen in nur etwa 0,2 Millimeter großen Samenblasen – warum verknoten sie nicht binnen kürzester Zeit unentwirrbar?

Ein Team um Michael Shelley vom Flatiron Institute in New York ist den physikalischen Gründen mit dreidimensionaler Elektronenmikroskopie und Live-Fluoreszenzbildgebung nachgegangen. Demnach ordnen sich die Spermien zu einem dichten, hochdynamischen Material und erzeugen kollektive Strömungen über das gesamte Organ hinweg.

Einzelne Spermien können sich innerhalb der dichten Anordnung schnell fortbewegen, indem sie entlang der gemeinsamen Ausrichtung an benachbarten Spermien vorbeigleiten. Anhand von Modellrechnungen vermuten die Autoren, dass sie kleine Biegewellen entlang ihrer Schwänze erzeugen und dabei gegen benachbarte Schwänze drücken, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen.

Die Autoren verweisen zudem darauf, dass die dichte Packung langer Strukturen ein verbreitetes biologisches Phänomen ist. Als markantes Beispiel nennen sie die Verpackung von Metern chromosomaler DNA in einem menschlichen Zellkern von rund zehn Mikrometern Größe.

Doch warum produzieren die Fruchtfliegen überhaupt so ungeheuer lange, energieaufwendige Spermien? Längere Samenzellen können kürzere Konkurrenten früheren Forschungsergebn zufolge recht erfolgreich aus dem weiblichen Geschlechtstrakt verdrängen.

Eine 2016 in „Nature“ erschienene Studie unter Federführung von Stefan Lüpold, Evolutionsbiologe an der Universität Zürich, lieferte dafür eine evolutionäre Erklärung. Demnach können Prozesse im weiblichen Geschlechtstrakt längere Spermien begünstigen, weil sie kürzere Konkurrenten dort besonders effektiv verdrängen können.

Da Männchen mit Riesen-Spermien jedoch weniger Samenzellen produzieren, müssen sich Weibchen unter Umständen häufiger paaren. Dadurch bleibt die Konkurrenz zwischen den Spermien erhalten oder wird sogar verstärkt.

Fruchtfliegen zählen zu den meistuntersuchten Tieren der Welt. Ihr Paarungsverhalten wurde bereits vielfach untersucht – ebenso die Faktoren, nach denen Fruchtfliegen-Weibchen ihre Partner auswählen. Laut einer 2023 im Fachmagazin „Science Advances“ veröffentlichten Studie haben Männchen mit qualitativ hochwertigen Genen grundsätzlich bessere Chancen auf eine erfolgreiche Paarung.

Das bedeutet nach Angaben der Wissenschaftler aber nicht, dass ihnen der Fortpflanzungserfolg sicher ist: Drosophila-Weibchen paaren sich routinemäßig mit mehreren Männchen und stoßen anschließend einen Teil der aufgenommenen Spermien wieder aus. Auf diese Weise können sie auch nach der eigentlichen Paarung beeinflussen, wessen Spermien am ehesten zur Befruchtung führen.

Annett Stein, dpa/ott