Mikrogravitation lässt Spermien im All die Orientierung verlieren

Eine Reise ins All könnte menschliche Spermien regelrecht orientierungslos machen und sie im Kreis suchen lassen.

Forschende der University of Adelaide in Australien haben im Labor gezeigt, dass fehlende Schwerkraft unseren Keimzellen schaden kann – ein möglicher Risikofaktor der Raumfahrt, sowohl für Menschen als auch für die Säugetiere, die sie begleiten.

Mikrogravitation beeinträchtigt die Orientierung von Spermien

Für die Studie wurde Mikrogravitation auf der Erde mit einem 3D-Clinostaten nachgebildet. Dieses Gerät rotiert kontinuierlich, sodass biologische Proben kein Oben und Unten wahrnehmen können. Damit prüfte das Team, wie Spermien von Menschen, Schweinen und Nagetieren einen Kanal ohne die sonst richtungsweisende Schwerkraft durchqueren.

Bildlich gesprochen wurden die Spermien zunächst „mit verbundenen Augen gedreht“ und anschließend auf die Suche nach einer Eizelle geschickt, an die sie ihre Zukunft knüpfen konnten – wie bei einem winzigen Partyspiel, allerdings mit weitreichenden Folgen.

Der von den Spermien zu bewältigende Kanal bildete den weiblichen Fortpflanzungstrakt von Säugetieren nach. Waren ihr Gefühl für oben und unten sowie vorwärts und rückwärts gestört, fiel ihnen die Navigation deutlich schwerer.

„Wir beobachteten unter Mikrogravitationsbedingungen im Vergleich zur normalen Schwerkraft einen deutlichen Rückgang der Zahl jener Spermien, die erfolgreich durch das Labyrinth der Kammer fanden“, erläutert die Biologin Nicole McPherson von der University of Adelaide.

„Dies zeigte sich in allen Modellen, obwohl sich die Art der körperlichen Bewegung der Spermien nicht veränderte. Das deutet darauf hin, dass ihr Orientierungsverlust nicht auf eine veränderte Beweglichkeit, sondern auf andere Faktoren zurückzuführen war.“

Die Ergebnisse knüpfen an eine Studie aus dem Jahr 2024 an. Diese hatte ergeben, dass menschliche Spermien nach einer Einwirkung wechselnder Schwerkraftniveaus deutlich an Beweglichkeit und Gesundheit einbüßten.

Nun deutet sich an, dass solche Veränderungen auch beeinflussen können, wie Spermien einen Kanal navigieren.

Chemische Signale helfen Spermien in Mikrogravitation

Das Team der aktuellen Untersuchung unter Leitung der Reproduktionsimmunologin Hannah Lyons weiß noch nicht, weshalb dies geschieht. Die Forschenden vermuten jedoch, dass Spermien ohne den verlässlichen Zug der Schwerkraft den Kontakt zu den Kanalwänden verlieren. Diese Wände könnten ihre Vorwärtsrichtung bestimmen.

Die Schwerkraft ist allerdings nicht die einzige Orientierungshilfe für Spermien. Menschliche Spermien ließen sich in Mikrogravitation bis ans Ende des Labyrinths lenken, wenn die Forschenden mithilfe des Hormons Progesteron eine starke chemische Spur legten.

„Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung chemotaktischer Reaktionen von Spermien unter Mikrogravitation“, folgern die Autorinnen und Autoren.

„Interessanterweise zeigen unsere Ergebnisse, dass Spermien möglicherweise über Anpassungsprozesse verfügen, die es ihnen erlauben, den Ort der Befruchtung selbst ohne Schwerkraft zu erreichen.“

Befruchtung nach Mikrogravitation weniger erfolgreich

Der Mangel an Schwerkraft könnte jedoch nicht nur die Orientierung stören. Selbst wenn ein Mikrogravitation ausgesetztes Spermium eine Eizelle erreicht, sind nachgelagerte Folgen möglich.

Nachdem die Forschenden Mausspermien vier Stunden lang dem Clinostaten ausgesetzt und danach mit Eizellen zusammengebracht hatten, lagen die Befruchtungsraten um 30 Prozent unter denen gewöhnlicher Spermien.

„Wir beobachteten bei einer Exposition gegenüber Mikrogravitation von vier bis sechs Stunden verringerte Befruchtungsraten“, sagt McPherson.

„Eine längere Exposition schien noch schädlicher zu sein und führte zu Verzögerungen in der Entwicklung sowie in einigen Fällen zu einer geringeren Zahl von Zellen, aus denen sich in den frühesten Phasen der Embryonalbildung der Fötus entwickelt.“

Ob dasselbe für Menschen gilt, ist unklar. Im Clinostaten verhielten sich menschliche und Maus-Spermien jedoch ähnlich.

Mit dem zunehmenden kommerziellen Raumflug warnen einige Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass bislang viel zu wenig darüber bekannt ist, wie Mikrogravitation und weitere Gefahren des Weltraums – etwa Strahlung – menschliche Keimdrüsen und die Fortpflanzung beeinflussen könnten.

„Diese Erkenntnisse … verdeutlichen die Komplexität einer erfolgreichen Fortpflanzung unter Mikrogravitation und den dringenden Bedarf an weiterer Forschung über alle Phasen der frühen Entwicklung hinweg“, schließt das Team aus Adelaide.

„Das Verständnis der molekularen und mechanischen Empfindlichkeit von Keimzellen und Embryonen gegenüber veränderter Schwerkraft ist entscheidend, um die langfristige Fortpflanzungsfähigkeit von Menschen und Nutztieren im All sicherzustellen.“

Die Studie erschien in Communications Biology.