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Biophysik: Schwimmen im Oktavklang

Spermien bewegen sich mit Hilfe einer Geißel vorwärts, die mit zwei Frequenzen gleichzeitig schwingt. Deren Phasenverschiebung bestimmt, wohin die Zelle schwimmt.
Spermien vor Eizelle

Viele einzellige Lebewesen bewegen sich aktiv, um zu Licht- und Nahrungsquellen hinzuschwimmen oder Räubern zu entkommen. Bakterien nutzen lange Proteinfäden, um sich durch das umgebende Medium zu schrauben. Diese "Flagellen" sind in ihrer Form weitgehend unveränderlich; ein molekularer Motor treibt sie an der Basis an, so dass sie sich wie ein Propeller drehen. Bei den "Geißeln" der Eukaryoten hingegen handelt es sich um zelluläre Ausstülpungen, umhüllt von der Zellmembran. Ein solches Gebilde ist etwa 0,3 Mikrometer (millionstel Meter) dick und einige wenige bis mehr als 150 Mikrometer lang.

Im Innern der Geißel liegt ein Bündel von Proteinröhren (Mikrotubuli), die zum Zellskelett gehören. Zusammen er­geben sie einen biegsamen Stab, dessen Form die Zelle unter Energieverbrauch verändert, was die Geißelbewegung hervorbringt. Die Mikrotubuli sind in einem charakteristischen Muster angeordnet, das bei allen eukaryotischen Geißeln gleich aussieht: Neun Doppelröhren bilden einen Kreis, der zwei zentrale Röhren umschließt. Unter­einander sind sie durch Eiweißstränge verbunden, die Adenosintriphosphat (ATP) in Phosphat und Adenosindiphosphat spalten und die dabei frei werdende Energie nutzen, um die Doppelröhren gegeneinander zu verschieben – mit dem Ergebnis, dass sich die Geißel biegt. Läuft die Reaktion räumlich und zeitlich entsprechend koordiniert ab, entsteht der typische Peitschenschlag ...

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  • Quellen

Alvarez, L. et al.: The Computational Sperm Cell. In: Trends in Cell Biology 24, S. 198-207, 2014

Kaupp, U. B., Alvarez, L.: Sperm as Microswimmers – Navigation and Sensing at the Physical Limit. In: The European Physical Journal Special Topics 225, S. 2119-2139, 2016

Saggiorato, G. et al.: Human Sperm Steer with Second Harmonics of the Flagellar Beat. In: Nature Communications 8, 1415, 2017

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