Scott Pitnicks Tattoo ist nicht gerade subtil. Das massive schwarzweiße Sperma windet und spitzt sich seinen rechten Unterarm hinauf und scheint sich in seine Haut und aus ihr heraus zu bohren, bevor es auf seinem Bizeps zu einem faustgroßen Kopf wird. Der Biologe der Syracuse University ist auch nicht zurückhaltend gegenüber seiner ungewöhnlichen Körperkunst, die einst in einer Montage bemerkenswerter Tätowierungen von Wissenschaftlern auftrat, die in The Guardian veröffentlicht wurden .
Für Pitnick spiegelt seine komplizierte Tinte seine tiefe Faszination für die „unglaublich einzigartige Biologie“ der Spermien wider. Bedenken Sie, dass Spermien die einzigen Zellen im Körper sind, die dazu bestimmt sind, in eine fremde Umgebung geworfen zu werden - eine Leistung, die dramatische physische Veränderungen erfordert Sie wandern von den Hoden in den Fortpflanzungstrakt einer Frau.
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„Das machen keine anderen Zellen“, sagt Pitnick, der seit mehr als 20 Jahren Sperma untersucht. "Sie haben diese Autonomie."
In seinem Labor entwickelt Pitnick die Köpfe der Fruchtfliegenspermien so, dass sie gespenstisch rot und grün leuchten, damit er beobachten kann, wie sie sich durch präparierte weibliche Fortpflanzungsorgane der Fliege bewegen. Er hofft, dass seine Arbeit dabei helfen wird aufzudecken, wie sich Spermien im weiblichen Körper verhalten, ein Forschungsgebiet, das noch in den Kinderschuhen steckt. Diese Art von Innovationen könnte eines Tages die große Vielfalt der Spermienformen und -größen im Tierreich erklären. Darüber hinaus könnten sie Forschern letztendlich helfen, Behandlungen für Unfruchtbarkeit beim Menschen sowie wirksamere Verhütungsmittel für Männer zu entwickeln.
"Wir verstehen fast nichts über die Spermafunktion, was Spermien tun", sagt Pitnick. Viele der Antworten auf diese Unbekannten verbergen sich wahrscheinlich in der anderen Hälfte des Puzzles: den weiblichen Körpern.
Dies könnte eine Enttäuschung für die mutigen Biologen sein, die im 17. und 18. Jahrhundert erstmals mit dem damals revolutionären Mikroskop die Spermien in ihrer vollen Pracht betrachteten. Diese frühen Spermienforscher hatten die Aufgabe, die grundlegendsten Fragen zu beantworten, zum Beispiel: Sind Spermien lebende Tiere? Sind sie Parasiten? Und, enthält jedes Sperma einen winzigen vorgeformten erwachsenen Menschen, der sich darin zusammengerollt hat? (Wir werden später darauf zurückkommen.)
Leeuwenhoeks frühe mikroskopische Beobachtungen von Kaninchensperma (Abb. 1-4) und Hundesperma (Abb. 5-8). (Wikimedia Commons) Die Person mit der zweifelhaften Ehre, der erste zu sein, der sich eingehend mit Sperma befasste, war Anton van Leeuwenhoek, ein Niederländer, der das frühe zusammengesetzte Mikroskop entwickelte. Van Leeuwenhoek setzte sein neues Werkzeug erstmals Mitte der 1670er Jahre ein, um keuschere Themen wie Bienenstachel, menschliche Läuse und Seewasser zu untersuchen.
Die Kollegen drängten ihn, die Linse auf Samen zu drehen. Aber er befürchtete, es wäre unanständig, über Sperma und Geschlechtsverkehr zu schreiben, und so blieb er stehen. Schließlich gab er 1677 nach. Als er sein eigenes Ejakulat untersuchte, war er sofort von den winzigen „Tierchen“ beeindruckt, die sich in seinem Inneren zappelten.
Van Leeuwenhoek, der es zögerte, seine Erkenntnisse mit Kollegen zu teilen - geschweige denn, sich einen Wriggler auf den Arm tätowieren zu lassen -, schrieb 1677 an die Royal Society of London über seine Entdeckung Ich bitte deine Lordschaft aufrichtig, sie als privat zu betrachten und sie zu veröffentlichen oder zu vernichten, wie es deine Lordschaft für richtig hält . “
Seine Lordschaft (alias der Präsident der Royal Society) veröffentlichte 1678 die Ergebnisse von van Leeuwenhoek in der Zeitschrift Philosophical Transactions und brachte so das brandneue Gebiet der Spermienbiologie hervor.
Es ist schwer zu übertreiben, wie mysteriös diese sich windenden mikroskopischen Kommas den Wissenschaftlern damals erschienen wären. Vor der Entdeckung dieser „Animalcules“ waren laut Bob Montgomerie, einem Biologen, der die Fortpflanzung von Tieren an der Queen's University in Kanada studiert, Theorien darüber, wie Menschen mehr Menschen hervorgebracht haben, weit verbreitet. Einige glaubten zum Beispiel, dass der vom männlichen Ejakulat ausgestoßene Dampf die Weibchen irgendwie dazu anregte, Babys zu bekommen, während andere glaubten, dass Männer tatsächlich Babys machten und sie zur Inkubation auf die Weibchen übertrugen.
"Sie können sich vorstellen, wie schwierig es ist, wenn Sie keine Ahnung haben, was los ist", sagt Montgomerie. Das heißt: Ohne in der Lage zu sein, Sperma und Eier zu sehen, zogen diese Wissenschaftler wirklich nur Theorien aus dem Nichts.
Im 17. Jahrhundert glaubten viele Forscher, dass jede Samenzelle einen winzigen, vollständig vorgeformten Menschen enthielt, wie diese Skizze von Nicolaas Hartsoeker aus dem Jahr 1695 zeigt. (Wikimedia Commons) Selbst nachdem van Leeuwenhoek 1677 das Sperma entdeckt hatte, vergingen ungefähr 200 Jahre, bis sich die Wissenschaftler über die Entstehung des Menschen einig wurden. Dabei tauchten zwei Hauptgedankenfelder auf: Einerseits glaubten die „Preformationisten“, dass jede Spermatozoe - oder jedes Ei, je nachdem, wen Sie fragten - einen winzigen, vollständig vorgeformten Menschen enthielt. Nach dieser Theorie bot die Eizelle - oder das Sperma - einfach einen Ort für die Entwicklung.
Andererseits argumentierten "Epigenesisten", dass sowohl Männer als auch Frauen Material zur Bildung eines neuen Organismus beigetragen hätten, obwohl sie nicht sicher waren, wer genau was beigetragen habe. Entdeckungen im Laufe des 18. Jahrhunderts lieferten weitere Beweise für dieses Argument, einschließlich der Entdeckung von 1759, dass Hühner Organe inkrementell entwickeln. (Montgomerie merkt dies in dem Buch Sperm Biology: An Evolutionary Perspective an, das von Kollegen wie Pitnick herausgegeben wurde.)
Mit Verbesserungen am Mikroskop beobachteten die Forscher Mitte des 19. Jahrhunderts die Embryonalentwicklung in Seeigeleiern, die bequemerweise transparent sind. Diese Beobachtungen widerlegten weiterhin das Konzept der Präformation und ließen die Forscher beginnen zu fragen, wie Sperma und Ei zusammenarbeiten, um neue Organismen zu schaffen.
Die Spermienforschung beleuchtet auch andere Körpersysteme. In den 1960er Jahren identifizierten die Forscher das Protein Dynein, das für die Bewegung der Spermien verantwortlich ist. „Es stellt sich heraus, dass dasselbe Motorprotein für alle Arten von Prozessen verantwortlich ist, die in Zellen ablaufen“, sagt Charles Lindemann, emeritierter Professor an der Oakland University in Michigan, der die Beweglichkeit von Spermien studierte. Heute wissen wir, dass Dynein an der Bewegung mikroskopisch kleiner Zellstrukturen wie Zilien und Flagellen beteiligt ist, die für viele Körperfunktionen von entscheidender Bedeutung sind.
Die frühen Fortschritte in der Fruchtbarkeitsforschung ließen jedoch nur langsam nach. Es gab damals einfach nicht sehr viele arbeitende Wissenschaftler, geschweige denn Spermienwissenschaftler, sagt Montgomerie. Er schätzt, dass zu dieser Zeit nur einige Dutzend Menschen Sperma erforschten. Zum Vergleich: Rund 400.000 Wissenschaftler untersuchen heute Krebs. "Es gab einige Leute, die das machten, aber vielleicht nicht genug", sagt Montgomerie.
Pitnick fügt hinzu, dass die wenigen frühen Forscher, die sich mit Sperma befasst haben, die Rolle des weiblichen Fortpflanzungssystems in der Fruchtbarkeitsgleichung möglicherweise nicht vollständig eingeschätzt haben - ein Versehen, das erklären könnte, warum dieser Bereich bis heute ein solches Rätsel darstellt. "Ein Teil davon ist eine männliche Tendenz in der Biologie, zu glauben, dass das Weibliche kein wichtiger Teil der Geschichte ist, und das geht in der Spermienbiologie auf diese ganze Idee der Präformation zurück", sagt Pitnick.
Auf der technischeren Seite ist es logistisch sehr herausfordernd, die Bewegung der Spermien innerhalb des Weibchens zu beobachten. Wie Pitnick betont, ist es ziemlich schwierig, eine Kamera in einen weiblichen Fortpflanzungstrakt zu bekommen.
Das ist das Genie hinter seinem leuchtenden Fruchtfliegensperma und der Fähigkeit, es in Echtzeit zu überwachen. Das obige Video zeigt den entfernten Fortpflanzungstrakt einer weiblichen Fruchtfliege, die Pitnick in einer Salzlösung intakt gehalten hat. Wenn es lebte, wurde dieses Weibchen mit einem Männchen mit grünem Sperma gepaart und einige Tage später mit einem Männchen mit rotem Sperma. Nur die Köpfe der Spermien sind mit dem fluoreszierenden Protein markiert, sodass die Schwänze der Spermien nicht sichtbar sind.
Mit dieser Art von Technologie kann Pitnick einen Einblick gewinnen, warum es so viele verschiedene Arten von Spermien in Form und Größe gibt. Zum Beispiel haben die leuchtenden Spermien, die er untersucht, mega lange Schwänze, die im abgewickelten Zustand eine Länge von bis zu 6 Zentimetern erreichen - ungefähr die Länge Ihres kleinen Fingers und die längste, die im Tierreich bekannt ist. Er hat jahrzehntelang versucht zu verstehen, warum sich eine Fliege auf diese Weise entwickeln würde, und hat schließlich den weiblichen Fortpflanzungstrakt als Quelle für seine Antwort herangezogen.
Während Pitnick sich auf Fliegen konzentriert, haben Spermien auch die Aufmerksamkeit moderner Wissenschaftler auf sich gezogen, die versuchen, menschlichen Paaren bei der Empfängnis zu helfen. Pitnicks Erkenntnisse könnten bei dieser Aufgabe versehentlich helfen. "In vielen Fällen handelt es sich um einen Kompatibilitätsunterschied zwischen einem bestimmten Mann und einer bestimmten Frau, und sie kennen den zugrunde liegenden Mechanismus nicht", sagt er. "Das Verständnis der Interaktionen zwischen Spermien und Frauen kann zweifellos Aufschluss über das Verständnis neuer Erklärungen für Unfruchtbarkeit und möglicherweise neuer Lösungen dafür geben."
Die Grundlagenforschung zu Spermien wird auch dazu beitragen, die Entwicklung männlicher Verhütungsmittel voranzutreiben, sagt Daniel Johnston, Leiter der Abteilung für Verhütungsforschung an den National Institutes of Health. Bisher haben Forscher alles ausprobiert, von Gelen bis zu Pillen. Eine wirksame und zuverlässige Empfängnisverhütung für Männer ist jedoch noch nicht möglich. Johnston sagt, Wissenschaftler stehen immer noch vor den grundlegendsten Fragen: Was ist eigentlich Sperma?
Spermien variieren unglaublich im Tierreich. Diese einzelne Fruchtfliegen-Samenzelle kann im entfalteten Zustand mehrere Zentimeter lang werden. (Romano Dalla) "Wir müssen wirklich verstehen, was ein Sperma ausmacht", sagt Johnston, der daran gearbeitet hat, den vollständigen Proteingehalt des Spermas zu beschreiben - ein wichtiger erster Schritt, um zu verstehen, wie man wirksame Verhütungsmittel entwickelt. "Wenn Sie das verstehen, können Sie möglicherweise verstehen, was wir hemmen müssen."
Kürzlich startete eine private Gruppe namens Male Contraceptive Initiative einen Wettbewerb, der ein innovatives Verhütungsforschungsprojekt finanzieren wird. * Gunda Georg, medizinische Chemikerin an der Universität von Minnesota, hat die erste Runde des Wettbewerbs für ihre Unfruchtbarkeitsforschung überstanden -assoziierte Gene in Mäusen, die letztendlich zur Entwicklung einer männlichen Antibabypille verwendet werden könnten.
Ihre aktuelle Forschung hilft dabei, geeignete Dosierungsmengen für solche Arzneimittel zu bestimmen und mögliche Nebenwirkungen zu bewerten. Immerhin: „Wenn ein Mann die Einnahme der Pille abbricht, muss er zur Normalität zurückkehren“, sagt Georg.
Johnston ist erfreut, die Gelegenheit zu haben, diese Art von Forschung am NIH zu unterstützen, sowohl aus Interesse, männliche Verhütungsmittel voranzubringen, als auch aus einer grundlegenden Intrige in Bezug auf Spermien, die über seine 25-jährige Karriere nicht nachgelassen hat. "Sperma ist faszinierend", sagt Johnston. "Es gibt nichts Vergleichbares."
Pitnick stimmt natürlich zu. Die Schüchternheit, die Wissenschaftler wie van Leeuwenhoek in den frühen Tagen bewiesen haben, hat nachgelassen. "Ich glaube nicht, dass es heutzutage zu viele Biologen gibt, die sich über dieses Zeug auf irgendeine Weise unwohl fühlen", sagt Pitnick. Und für ihn persönlich? "Ich liebe diese Biologie", sagt er. "Ich werde mit jedem darüber reden, der bereit ist zuzuhören."
Anmerkung der Redaktion, 7. Juni 2017: In diesem Artikel wurde ursprünglich angegeben, dass die Male Contraceptive Initiative unter dem NIH untergebracht war. es ist ein privates Unterfangen.
