Synchronschwimmen im Sechseck

Bei Gedrängel im Formationsflug:
Spermien im Sechseck-Strudel
© Max-Planck-Gesellschaft

"Dass wir auf diese Muster gestoßen sind, war eine riesige Überraschung", so Ingmar Riedel, Doktorand im Forschungslabor von Jonathan Howard am Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik, "denn immerhin werden Spermien seit mehr als hundert Jahren eingehend erforscht, doch dieses Muster hat bisher niemand bemerkt."

Die Forscher um Howard berichten über eine Musterbildung durch hydrodynamische Interaktion. Bei der Untersuchung von Seeigel-Spermien stellten sie fest, dass sich diese bei ausreichender Konzentration in symmetrischen Mustern organisieren können: Dann schwimmen jeweils etwa zehn Spermien umeinander und bilden eine Art kreisrunden Strudel.

Viele dieser Strudel zusammen ordneten sich dann wiederum in sechseckigen Formationen an. Diese Beobachtung zeige, dass sich Spermien oder ähnlich geartete biologische Organellen, wie etwa Flimmerhärchen in der Lunge, in wahrer Teamarbeit ab einem kritischen Punkt zu dynamischen Mustern arrangieren und damit effektiver ihre Funktion erfüllen können, so die Analyse der Wissenschaftler. Die Musterbildung geschehe in Selbstorganisation, ohne chemische Signale, und würde nur durch hydrodynamische Interaktionen vermittelt.

Laut der Forscher arbeiten die Schwänzchen von Spermien wie Flimmerhärchen: Interne biomolekulare Motoren seien so fein aufeinander abgestimmt, dass eine wohl koordinierte Schlagbewegung des Schwanzes das Spermium ins Schwimmen versetzt und fortbewegt. Ab einer bestimmten Dichte, etwa 2.500 Spermien pro Quadratmillimeter, organisierten sich die umherschwimmenden Keimzellen auf einer glatten Oberfläche zu kleinen Strudeln.

Die Dresdner Forscher unterlegten ihre Beobachtungen mit einem theoretischen Modell und konnten damit die Kraft der hydrodynamischen Interaktion zwischen den einzelnen Spermien errechnen: Sie liegt bei ungefähr 0,03 Pikonewton. Diese Kraft reicht aus, um eine Koordination der Keimzellen zu ermöglichen und großflächige Musterformationen zu erstellen.

MEDICA.de; Quelle: Max-Planck-Gesellschaft