Spermatozoen

Spermium und Eizelle

Ein Spermium oder Spermatozoon (umgangssprachlich auch Samenfaden oder Samenzelle genannt) ist eine zu eigenständiger Bewegung fähige männliche Keimzelle, die der Befruchtung der weiblichen Eizelle dient. Spermien werden vom Körper in großer Zahl produziert und sind wesentlich kleiner als die zu befruchtende Eizelle, weil sie im Gegensatz zur Eizelle keine größeren Plasmamengen und dotterhaltigen Nährstoffe enthalten.

Bei den Wirbeltieren werden sie im Epithel der Hodenkanälchen des Hodens produziert.

Spermien mit Geißel werden als Spermatozoid bezeichnet, ein Spermatium ist dagegen die Spermazelle ohne Geißel.

Abzugrenzen ist der Begriff „Spermium“ vom Begriff Sperma, das aus der Samenflüssigkeit (dem Samenplasma) mit den darin enthaltenen Spermien und etlichen Epithelzellen der Hodenkanälchen besteht.
(Für weitere Details siehe Artikel Sperma.)

Gestalt fadenförmiger Spermien bei verschiedenen Tieren

Akrosom (links im Bild)

• (1) Akrosomen
• (2) Zellmembran
• (3) Nucleus
• (4) Mitochondrien
• (5) Schwanz (Flagellum).

Bei den einzelnen Tierarten besitzen die Spermien eine unterschiedliche und charakteristische Gestalt. Doch gibt es gewisse Grundübereinstimmungen im Bau. Meistens handelt es sich um fadenförmige Zellen, die einen Kopfteil mit haploidem Zellkern, ein Mittelstück („Hals“ mit Zentrosom und darum liegenden Mitochondrien-Paketen) und einen beweglichen Schwanz besitzen. Der Spermienkopf kann verschieden gestaltet sein: kugelig wie bei Weißfischen, lang gestreckt wie beim Chamäleon, hakig gebogen wie bei Ratten und Mäusen, säbelartig wie bei Hühnern, schraubenförmig gewunden wie bei Schnecken und Vögeln, ellipsoid geformt wie bei Stieren und Hengsten, schaufelförmig wie bei Meerschweinchen oder birnenförmig wie beim Menschen. An der Kopfspitze befinden sich oft Sonderbildungen, die das Eindringen in die Eizelle ermöglichen: Sie sind dolchartig beim Frosch, hakenförmig bei der Maus oder erinnern – wie bei der Knoblauchkröte – an einen Bohrer. Weiter befindet sich an der Spitze des Spermienkopfes oft eine Kappe (Akrosom) von unterschiedlicher Größe und Gestalt, die mit Enzymen gefüllt ist, welche das Durchdringen der Eimembran erleichtern.

Andere Spermienformen

Neben der Fadenform weisen einige Spermien auch andere Formen auf: Bei niederen Krebsen und etlichen Spinnentieren können sie insgesamt kugelförmig sein. Der Spulwurm besitzt nagelförmige Spermien mit einem Glanzkörper aus spezifischen Eiweißen. Andere Rundwürmer und auch Milben haben amöboid bewegliche Spermien. Bei den Zehnfußkrebsen (Decapoda) kommt eine Art „Explosionseinrichtung“ in Form eines Sprungfedermechanismus vor, der das Spermium in die Eizelle katapultiert.

Größen

Auch die Größe der Spermien variiert bei den einzelnen Arten stark. Während die Spermien von Ostrakoden 0,7 mm lang sind, besitzen menschliche Spermien nur eine Länge von etwa 0,06 mm: der Kopfteil bemisst sich hierbei auf ca. 5 µm x 3 µm, während der Schwanzteil mit dem Geißelapparat rund 50 µm lang ist. Die Größe der Spermien kann sogar innerhalb der gleichen Art variieren - je nachdem, ob ein Männchen mehrere Nebenbuhler hat oder nicht. So hat man bei Fröschen festgestellt, dass die Spermiengröße und damit auch die Länge des Spermienschwanzes zunimmt, wenn das betreffende Männchen sich mit anderen Männchen um die Gunst eines Froschweibchens auseinanderzusetzen hat. Die Spermien mit dem längsten Schwanz, die am schnellsten schwimmen können, haben dabei die größte Chance, als erste die vom Weibchen ins Wasser abgegebenen Froscheier zu erreichen.

Menschliche Spermien

Phasenweise Darstellung des Eindringens des Spermiums in eine Eizelle

Bau und Funktion

Das Spermium des Mannes besteht aus

• einem Kopfteil, der den haploiden Zellkern und zwischen 2682 und 2886 verschiedene mRNA-Moleküle enthält,
• einem Mittelstück mit einer Vielzahl von Mitochondrien, die die Energie in Form von ATP-Molekülen für die Fortbewegung liefern,
• einem beweglichen Schwanzteil mit längsverlaufendem Fibrillensystem aus Mikrotubuli zur Fortbewegung.

Menschliche Spermien dienen – wie die Spermatozoen der anderen Organismen – der Befruchtung einer weiblichen Eizelle. Sie werden nach ihrer Fertigstellung (Spermatogenese) zunächst im männlichen Nebenhoden gelagert, um von dort aus über den Samenleiter und die Harnröhre bei der Ejakulation während des männlichen Orgasmus ausgestoßen zu werden. Rund 300 Millionen von ihnen landen in der weiblichen Scheide. Von der Scheide aus gelangt nur ein kleiner Teil der Spermien, die zur Befruchtung vorgesehen sind, über den Eileiter zur Eizelle, dem weitaus größeren Teil gelingt der hindernisreiche Weg bis in diese Region nicht oder aber er ist für andere Funktionen vorgesehen (vergl. Spermienkonkurrenz).

Auf dem Weg zur Eizelle werden die Spermien wahrscheinlich chemotaktisch von Progesteron oder duftähnlichen Substanzen, dem pH-Wert und Temperaturunterschieden geleitet (Eisenbach M & Giojalas LC, Nature Reviews Molecular Biology, 2006). Aufgenommen werden die Duftreize von Molekülen der großen Familie der G-Protein gekoppelten Rezeptoren in der Membran des Anfangsteils des Spermienschwanzes, die mit denen in den Riechzellen unserer Nase identisch sind (Geruchsrezeptoren). Experimentell konnte gezeigt werden: Bindet der Duftstoff Bourgeonal (Maiglöckchenduft) an den Rezeptor hOR17-4 bzw. OR1D2, steigt im Innern des Spermiums die Calcium-Konzentration. Dies hat zur Folge, dass das Spermium seine Schwimmrichtung ändert und gleichzeitig die Schwimmgeschwindigkeit verdoppelt (Spehr et al., Science, 2003). Als Gegenstück (Antagonist) zum Maiglöckchenduft haben Forscher auch einen blockierenden Duft, den Aldehyd Undecanal identifiziert, aus dem sich rein theoretisch eine neue Form der Empfängnisverhütung auf der Basis von Düften entwickeln ließe. In der Theorie würde man den blockierenden Duft in den Vaginalbereich einbringen und damit die Duftrezeptoren blockieren. Den Spermien würde es so eventuell erschwert werden die Eizelle zu finden. Es ist jedoch höchst unwahrscheinlich, dass der natürliche Bindungspartner des Bourgeonal-Rezeptors der einzige "Wegweiser" zur Eizelle ist, eher ist von mehreren Faktoren auszugehen (Eisenbach M & Giojalas LC, Nature Reviews Molecular Biology, 2006). Theoretisch eröffnen die Forschungsergebnisse auch neue Möglichkeiten bei der Diagnostik von Unfruchtbarkeit: Männer, die keinen Maiglöckchenduft (sog. Bourgeonal) riechen können, weisen eventuell einen Defekt im Gen für den Bourgeonal-Rezeptor (hOR17-4 bzw. OR1D2) auf. Dementsprechend wären auch die Geruchsrezeptoren auf den Spermien geschädigt. Personen, bei denen dies zutrifft, weisen eventuell Defizite in der Fruchtbarkeit auf. Berichterstattung auf 3Sat

Wegen der vielen Hindernisse erreichen unter Normalbedingungen nur etwa 300 Spermien diejenige Stelle am Ende des Eileiters, an der die Eizelle auf ihre Befruchtung wartet. Die Eizelle lässt sich allerdings nur von einem einzigen Spermium befruchten. Bei der Befruchtung dringt der Inhalt des Spermienkopfes in die Eizelle ein, die dadurch diploid wird und nun Zygote heißt. Nach neueren Erkenntnissen beeinflussen die zusammen mit dem Zellkern des Spermiums in die Eizelle eingedrungenen männlichen mRNA-Moleküle die Entwicklung des aus der Zygote entstehenden Embryos.

Fortbewegung

Darstellung der Kräfte, die bei der rhythmischen Fortbewegung eines Spermiums wirken.

Die menschlichen Spermien besitzen eine bewegliche Geißel. Die beiden auf der Geißel markierten Punkte bewegen sich nach oben (linker Punkt) und unten (rechter Punkt). Diese Geschwindigkeit wird aufgeteilt in den Teil, der parallel (V[par]) zum Abschnitt der Geißel verläuft, und den Teil, der senkrecht (V[senkr]) dazu verläuft. Die daraus resultierende Kraft F wird wiederum in zwei Teile aufgeteilt, nämlich den Teil der Kraft, der parallel zur Bewegungsrichtung des Spermiums wirkt (F[horiz]), und den Teil, der vertikal zur Bewegungsrichtung wirkt (F[vert]). Die Summe der beiden Kräfte, die parallel zur Bewegungsrichtung des Spermiums gerichtet sind, bilden die vorantreibende Kraft.

Quelle: Len Fisher: Reise zum Mittelpunkt des Frühstückseis

Aufbewahrung der Spermien zur künstlichen Befruchtung oberhalb des Gefrierpunktes

Spermien, die zur künstlichen Befruchtung dienen sollen, muss man nicht mehr wie bislang üblich in tiefgefrorenem Zustand in einer Samenbank aufbewahren; sie sollen künftig ganz einfach bei niedrigen Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes aufbewahrt werden können. Forscher aus Saudi-Arabien stellten im Jahre 2003 eine neue Methode vor, um Spermien ohne aufwändige Kühltechnik aufzubewahren. Dazu müssen die Spermien vorher gereinigt und in keimfreier Luft getrocknet werden. Zur Befruchtung erweckt man die Spermien später in einer Speziallösung wieder zum Leben und injiziert sie mit Hilfe der so genannten intrazytoplasmatischen Spermainjektion in die zu befruchtende Eizelle. Allerdings sind die bei diesen Temperaturen aufbewahrten Spermien nach der Revitalisierung nicht mehr bewegungsfähig, müssen zur Befruchtung also in jedem Fall direkt in die Eizelle injiziert werden.

Lebenserwartung

Nach einer Reifungsdauer von 180 Tagen kann ein Spermium bis zu einem Monat im Spermadepot des Mannes überdauern, in der Vagina nur wenige Stunden. An der Luft können Spermien je nach Umweltbedingungen (Licht, Temperatur, Feuchtigkeit) bis zu 24 Stunden überleben. Eine Abweichung vom optimalen, leicht sauren pH-Wert (6,0 - 6,5) kann zum spontanen Absterben führen. Die meisten in mechanischen und chemischen Verhütungsmethoden verwendeten Spermizide arbeiten auf dieser Basis. Die im Genitalbereich häufig verwendeten pH-neutralen Pflegeprodukte sind somit nicht spermizid und für eine verhütende Nachsorge ungeeignet.

Die falsche Verwendung des Begriffs „Samen“

Der Begriff Spermium sollte nicht mit dem Begriff Samen verwechselt werden, mit dem ein (oft in Fruchtfleisch eingebettetes) Verbreitungsorgan der höheren Pflanzen gemeint ist, das aus einem ruhenden pflanzlichen Embryo besteht, der von Nährgewebe und einer Samenschale umgeben ist.

Die fachlich falsche Verwendung des Begriffes Same oder Samen für die Spermien leitet sich aus der Bibel ab, wobei sie dort nicht den Anspruch wissenschaftlich korrekt zu sein erhebt, sondern eher verwandtschaftliche Abstammung betonen will und dies auf eine für damalige Verhältnisse verständliche Weise. Das hebräische Wort für Same wird dort unterschiedslos für Pflanzen, Tiere und den Menschen gebraucht. So empfängt einerseits die Frau den männlichen Samen (Num 5, 28) oder erweckt ihn beim erotischen Spiel (Gen 19, 32 und 34), andererseits wird das Land mit den Samen der Feldfrüchte besät (Dtn 29, 22; Ez 36, 9).

Aus dem alten Ägypten stammt die falsche Vorstellung, dass der männliche Same bereits der Mensch in nuce sei, der im Mutterleib quasi wie in einer Nährlösung nur noch heranzureifen braucht. Schließlich steht der Begriff Same auch für die Nachkommenschaft selbst. Wenn die Bibel vom Samen Abrahams spricht, dann sind damit die aus Abraham hervorgegangenen Nachkommen gemeint (Jes 41, 8; Jer 33, 26). All diese Bedeutungen sind hier nicht gemeint. Die Begriffe Samen oder Samenzelle etc. sollten daher nicht mehr für die Spermien oder das Sperma verwendet werden. Neuere Schulbücher sprechen daher auch nicht mehr vom Samenleiter, sondern ausdrücklich vom Spermienleiter.

Siehe auch

Ejakulat - Hoden - Gamet - Spermatophore - Spermatogenese - Spermiogramm

Literatur

Populärwissenschaftliche Bücher

• Vivien Marx: Das Samenbuch, alles über Spermien, Sex und Fruchtbarkeit. Fischer-Taschenbuch-Verlag, Frankfurt am Main 1999. ISBN 3-596-14140-0
• Robie H. Harris: Was jetzt kommt ist ... einfach irre! Ein Buch über Eier und Spermien, Geburt, Babys und Zusammenleben. Beltz & Gelberg, Weinheim 2002. ISBN 3-407-75319-5

Spezielle Fachliteratur

• Eberhard Nieschlag: WHO-Laborhandbuch zur Untersuchung des menschlichen Ejakulates und der Spermien-Zervikalschleim-Interaktion. World Health Organization. Übers. von Eberhard Nieschlag. Springer, Berlin/Heidelberg/New York 1999. ISBN 3-540-66335-5
• Brigitte Reimesch: Untersuchungen zum Einfluss von Coenzym Q10 und einer Mischung aus Coenzym Q10 und Vitamin C, in vitro, auf die Beweglichkeit der Spermien. Diss. Erlangen-Nürnberg 2002.
• Steffen Klaus Meurer: Molekularbiologische und immunologische Charakterisierung von Chemorezeptoren in Säugetier-Spermien. Berichte des Forschungszentrums Jülich Forschungszentrum Jülich. Jülich 2002. ISSN 0944-2952
• Stefan Hans Uhlich: Vergleich von Spermien nach Präparation mit Glaswollfiltration oderPercoll-Dichtegradientenzentrifugation: eine elektronenmikroskopische Untersuchung. Diss. Ulm 1996.
• Andrea Wagner: Das funktionelle Spermienreservoir im Säugetier. Charakterisierung der kohlenhydratvermittelten Vorgänge der Spermien-Oviduktbindung beim Schwein. Diss. Tierärztl. Hochsch. Hannover 2001 (Elektronische Resource).
• Heike Rauhaus: Untersuchungen zur Morphologie und Lebend-Tot-Färbung von Spermien einiger Haustierarten. Diss. München 1990.
• Manuela Quandt: Inhibition und Stimulation der Spermienmigration im in vitro Spermien-Mukus-Interaktionsmodell. Diss. Heidelberg 1996.
• Dirk Schulze Bertelsbeck: Die Bedeutung von Spermienantikörpern in Serum und auf Spermien für die Diagnose der immunologisch bedingten Infertilität. Diss. Münster 1995.
• Johannes Solzin: Chemotaxis von Seeigel-Spermien, kinetische Messungen intrazellulärer Botenstoffe. Diss. Köln 1993.
• Ulrich Wirth: Spermien und Spermatogenese bei Nematoden und die Bedeutung der Spermien für die Phylogenetik der Metazoen. Diss. Freiburg 1983.
• Stephan Schulte-Wrede: Raster-Elektronenmikroskopie von Spermien des Hausschafs 'Ovis ammon aries L.'. Diss. München 1974.
• Olaf W. Dietz: Die Zahl der Spermien im Ejakulat des Ziegenbockes in der Abhängigkeit zur Sexualpause. Diss. Leipzig 1950.

Weblinks

• Elektronenmikroskopischer Atlas im Internet: Spermium im Lumen des Nebenhodens (Epididymis) vom Affen
• Wie finden sich Eizelle und Spermium?
• Spermium
• Sperma und Spermien