Scott Pitnicks Tattoo ist nicht gerade subtil. Das massive schwarz-weiße Sperma windet sich und ragt seinen rechten Unterarm hinauf, scheint sich in seine Haut und wieder heraus zu bohren, bevor es zu einem faustgroßen Kopf auf seinem Bizeps austritt. Der Biologe der Syracuse University ist auch nicht zurückhaltend gegenüber seiner ungewöhnlichen Körperkunst, die einst in einer Montage bemerkenswerter Wissenschaftler-Tattoos auftauchte, die in veröffentlicht wurde Der Wächter .

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 körperliche Veränderungen erfordert, wenn sie von den Hoden in den Fortpflanzungstrakt einer Frau gelangen.

Das schaffen keine anderen Zellen, sagt Pitnick, der seit mehr als 20 Jahren Spermien untersucht. Sie haben diese Autonomie.

In seinem Labor, Pitnick entwickelt die Köpfe von Fruchtfliegensperma zu leuchten gespenstisch rot und grün damit er sie beobachten kann, wie sie sich durch sezierte Fortpflanzungstrakte weiblicher Fliegen bewegen. Er hofft, dass seine Arbeit dazu beitragen wird, das Verhalten von Spermien im weiblichen Körper aufzudecken, ein Forschungsgebiet, das noch in den Kinderschuhen steckt. Solche Innovationen könnten eines Tages die große Vielfalt der Spermienform und -größe im gesamten Tierreich erklären. Darüber hinaus könnten sie Forschern letztendlich helfen, Behandlungen für menschliche Unfruchtbarkeit sowie wirksamere Verhütungsmittel für Männer zu entwickeln.





Wir verstehen fast nichts über die Spermienfunktion, was Spermien tun, sagt Pitnick. Viele der Antworten auf diese Unbekannten verstecken sich wahrscheinlich in der anderen Hälfte des Sperma-Puzzles: weiblichen Körpern.

Für die mutigen Biologen, die im 17. und 18. Jahrhundert erstmals Samenzellen in voller Pracht mit dem damals revolutionären Mikroskop betrachteten, mag dies eine Enttäuschung sein. Diese frühen Spermienforscher sahen sich damit beauftragt, die grundlegendsten Fragen zu beantworten, zum Beispiel: Sind Spermien lebende Tiere? Sind das Parasiten? Und enthält jedes Sperma einen winzigen vorgeformten erwachsenen Menschen, der sich darin zusammengerollt hat? (Dazu kommen wir später.)



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Leeuwenhoeks frühe mikroskopische Beobachtungen von Kaninchensperma (Abb. 1-4) und Hundesperma (Abb. 5-8).(Wikimedia-Commons)

Die Person mit der zweifelhaften Ehre, als Erster Sperma im Detail zu studieren, war Anton van Leeuwenhoek , ein Holländer, der die frühes zusammengesetztes Mikroskop . Van Leeuwenhoek verwendete sein neues Werkzeug erstmals Mitte der 1670er Jahre, um keuschere Themen wie Bienenstachel, menschliche Läuse und Seewasser zu untersuchen.

Kollegen drängten ihn, seine Linse in Sperma zu verwandeln. Aber er befürchtete, es wäre unanständig, über Sperma und Geschlechtsverkehr zu schreiben, und so blieb er stehen. 1677 gab er schließlich nach. Als er sein eigenes Ejakulat untersuchte, fiel ihm sofort die winzige Tierwelt auf, die er darin zappelte.



Er zögerte, seine Ergebnisse sogar mit Kollegen zu teilen – geschweige denn, sich einen Wriggler auf den Arm tätowieren zu lassen – schrieb van Leeuwenhoek zögernd über seine Entdeckung im Jahr 1677 an die Royal Society of London. Falls Ihre Lordschaft der Ansicht sein sollte, dass diese Beobachtungen die Gelehrten abstoßen oder empören könnten, bitte ich Ihre Lordschaft ernsthaft, sie als privat zu betrachten und sie nach eigenem Ermessen zu veröffentlichen oder zu vernichten .

Seine Lordschaft (auch bekannt als Präsident der Royal Society) entschied sich dafür, die Ergebnisse von van Leeuwenhoek in der Zeitschrift zu veröffentlichen Philosophische Transaktionen 1678 – und damit das brandneue Gebiet der Spermienbiologie.

Es ist schwer zu überschätzen, wie mysteriös diese sich windenden, mikroskopisch kleinen Kommas den Wissenschaftlern damals erschienen wären. Vor der Entdeckung dieser Animalcules waren die Theorien darüber, wie Menschen mehr Menschen machten, weit verbreitet, sagt Bob Montgomerie , ein Biologe, der an der Queen’s University in Kanada Tierreproduktion studiert. Zum Beispiel glaubten einige, dass der vom männlichen Ejakulat ausgestoßene Dampf Frauen irgendwie dazu stimulierte, Babys zu zeugen, während andere glaubten, dass Männer tatsächlich Babys zeugten und sie zur Inkubation auf Frauen übertrugen.

Man kann sich vorstellen, wie schwierig es ist, wenn man keine Ahnung hat, was los ist, sagt Montgomerie. Das heißt: Ohne Spermien und Eizellen sehen zu können, haben diese Wissenschaftler wirklich nur Theorien aus dem Nichts gezogen.

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Im 17. Jahrhundert glaubten viele Forscher, dass jede Spermatozoe einen winzigen, vollständig vorgeformten Menschen enthielt, wie in dieser Skizze von Nicolaas Hartsoeker aus dem Jahr 1695 veranschaulicht.(Wikimedia-Commons)

Auch nachdem van Leeuwenhoek 1677 Spermien entdeckte, vergingen ungefähr 200 Jahre, bis sich Wissenschaftler über die Entstehung des Menschen einig waren. Dabei entstanden vor allem zwei Denkrichtungen: Einerseits glaubten die Präformationsforscher, dass in jedem Spermatozoen – oder in jedem Ei, je nachdem, wen man fragte – ein winziger, vollständig vorgeformter Mensch steckte. Nach dieser Theorie bot die Eizelle – oder das Spermium – einfach einen Ort für die Entwicklung.

Auf der anderen Seite argumentierten Epigenesen, dass sowohl Männer als auch Frauen Material beisteuerten, um einen neuen Organismus zu bilden, obwohl sie sich nicht sicher waren, wer genau was beisteuerte. Entdeckungen im Laufe des 18. Jahrhunderts lieferten weitere Beweise für dieses Argument, einschließlich der Entdeckung von 1759, dass Küken inkrementell Organe entwickeln. (Montgomerie vermerkt dies im Buch Spermabiologie: Eine evolutionäre Perspektive , die von Kollegen einschließlich Pitnick bearbeitet wurde.)

Mit Verbesserungen am Mikroskop beobachteten Forscher Mitte des 19. Jahrhunderts die Embryonalentwicklung in Seeigel-Eiern, die praktischerweise transparent sind. Diese Beobachtungen widerlegten weiterhin das Konzept der Präformation und ermöglichten es den Forschern, sich zu fragen, wie Spermien und Eizellen zusammenarbeiten, um neue Organismen zu schaffen.

Die Spermienforschung gibt auch Aufschluss über andere Körpersysteme. In den 1960er Jahren identifizierten Forscher die Protein Dynein , das für die Spermienbewegung verantwortlich ist. Es stellt sich heraus, dass das gleiche Motorprotein für alle Arten von Prozessen verantwortlich ist, die in Zellen ablaufen, sagt Charles Lindemann , einem emeritierten Professor an der Oakland University in Michigan, der die Beweglichkeit der Spermien untersuchte. Heute wissen wir, dass Dynein an der Bewegung mikroskopischer Zellstrukturen beteiligt ist, wie z Zilien und Geißeln, die für viele Körperfunktionen von entscheidender Bedeutung sind.

Dennoch kamen die frühen Fortschritte in der Fruchtbarkeitsforschung nur langsam voran. Es gab damals einfach nicht viele arbeitende Wissenschaftler, geschweige denn Spermawissenschaftler, sagt Montgomerie. Er schätzt, dass es zu dieser Zeit nur einige Dutzend Leute gab, die Spermien erforschten; Im Vergleich dazu untersuchen heute etwa 400.000 Wissenschaftler Krebs. Es gab einige Leute, die es getan haben, aber vielleicht nicht genug, sagt Montgomerie.

Pitnick fügt hinzu, dass die wenigen frühen Forscher, die Spermien untersuchten, die Rolle des weiblichen Fortpflanzungssystems in der Fruchtbarkeitsgleichung möglicherweise nicht vollständig erkannt haben – ein Versehen, das erklären könnte, warum dieser Bereich heute noch so ein Rätsel ist. Ein Teil davon ist eine männliche Voreingenommenheit in der Biologie, zu denken, dass das Weibchen kein wichtiger Teil der Geschichte ist, und das geht in der Spermienbiologie auf diese ganze Idee der Präformation zurück, sagt Pitnick.

Auf der eher technischen Seite ist die Beobachtung der Spermienbewegung innerhalb des Weibchens logistisch sehr anspruchsvoll. 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 Kochsalzlösung intakt gehalten hat. Als es noch lebte, wurde dieses Weibchen mit einem Männchen mit grünen Spermien gepaart und einige Tage später mit einem Männchen mit roten Spermien erneut gepaart. Nur die Köpfe der Spermien sind mit dem fluoreszierenden Protein markiert, sodass die Schwänze der Spermien nicht zu sehen sind.

Mit dieser Art von Technologie kann Pitnick Erkenntnisse darüber gewinnen, warum die Form und Größe der Spermien so vielfältig ist. Zum Beispiel das leuchtende Sperma, das er studiert hat mega-lang Schwänze erreichen im abgewickelten Zustand eine Länge von bis zu 6 Zentimetern – ungefähr die Länge Ihres kleinen Fingers und die längste, die im Tierreich bekannt ist. Er hat Jahrzehnte damit verbracht, zu verstehen, warum sich eine Fliege auf diese Weise entwickelt, und hat schließlich den weiblichen Fortpflanzungstrakt als Quelle für seine Antwort herausgearbeitet.

Während sich Pitnick auf Fliegen konzentriert, haben Spermien auch die Aufmerksamkeit moderner Wissenschaftler auf sich gezogen, die versuchen, menschlichen Paaren zu helfen, die versuchen, schwanger zu werden. Pitnicks Erkenntnisse könnten bei dieser Aufgabe versehentlich helfen. In vielen Fällen ist es ein 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 sicherlich Aufschluss darüber geben, neue Erklärungen für Unfruchtbarkeit und möglicherweise neue Lösungen dafür zu verstehen.

Die grundlegende Spermienforschung wird auch dazu beitragen, den Fortschritt bei der Entwicklung von Verhütungsmitteln für Männer zu beschleunigen, sagt Daniel Johnston , Chef der Abteilung Verhütungsforschung bei den National Institutes of Health. Bisher haben Forscher alles versucht, von Gelen bis hin zu Pillen, aber eine wirksame, zuverlässige Verhütung für Männer bleibt schwer fassbar. Johnston sagt, Wissenschaftler stehen immer noch vor den grundlegendsten Fragen: Was? ist Sperma, sowieso?

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Spermazellen variieren unglaublich im Tierreich. Diese einzelne Fruchtfliegen-Spermazelle kann im entfalteten Zustand mehrere Zentimeter lang werden.(Romano Dalla)

Wir müssen wirklich verstehen, was ein Sperma ausmacht, sagt Johnston, der daran gearbeitet hat, das Sperma zu beschreiben voller Proteingehalt von Spermien – ein wichtiger erster Schritt, um zu verstehen, wie man wirksame Verhütungsmittel entwickelt. Wenn Sie das verstehen, können Sie möglicherweise anfangen zu verstehen, was wir verhindern müssen.

Vor kurzem hat eine private Gruppe namens the Verhütungsinitiative für Männer einen Wettbewerb ins Leben gerufen, mit dem ein innovatives Forschungsprojekt zur Verhütung gefördert wird.* Gunda Georg , eine Medizinchemikerin an der University of Minnesota, hat es die erste Runde des Wettbewerbs für ihre Forschung zu unfruchtbarkeitsassoziierten Genen bei Mäusen geschafft, die letztendlich zur Entwicklung einer männlichen Antibabypille verwendet werden könnten.

Ihre aktuelle Forschung hilft bei der Bestimmung geeigneter Dosierungen für solche Arzneimittel und bei der Beurteilung möglicher Nebenwirkungen. Denn wenn ein Mann die Pille absetzt, muss er sich wieder komplett normalisieren, sagt Georg.

Johnston freut sich über die Möglichkeit, diese Art von Forschung am NIH zu unterstützen, sowohl aus Interesse daran, männliche Verhütungsmittel voranzutreiben, als auch aus einer grundlegenden Intrige in Sachen Spermien, die in seiner 25-jährigen Karriere nicht nachgelassen hat. Spermien sind faszinierend“, sagt Johnston. »Es gibt nichts Vergleichbares.

Pitnick stimmt natürlich zu. Die Schüchternheit, die Wissenschaftler wie van Leeuwenhoek in der Anfangszeit bewiesen haben, habe auf diesem Gebiet nachgelassen. Ich glaube nicht, dass es heute allzu viele Biologen gibt, die sich unwohl fühlen, wenn sie über dieses Zeug sprechen, sagt Pitnick. Und für ihn persönlich? Ich liebe diese Biologie, sagt er. Ich werde mit jedem darüber sprechen, der bereit ist zuzuhören.

Anmerkung der Redaktion, 7. Juni 2017: In diesem Artikel wurde ursprünglich festgestellt, dass die Initiative zur Verhütung von Männern unter dem NIH angesiedelt war; es ist ein privates Unterfangen.

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