Es ist allgemein bekannt, dass Spermien „schwimmen“, indem sie ihre weichen Schwänze schlagen oder drehen. Ein von Wissenschaftlern geleitetes Forschungsteam hat jedoch herausgefunden, dass sich Strahlenspermien bewegen, indem sie sowohl den Schwanz als auch den Kopf drehen. Das Team untersuchte das Bewegungsmuster weiter und demonstrierte es mit einem Roboter. Ihre Studie hat das Wissen über die Bewegung der Mikroorganismen erweitert und Inspiration für das Design von Robotern geliefert.
Überraschende Entdeckung
Die Forschung enthüllte einen neuen und eigentümlichen Bewegungsmodus von Strahlenspermien, den sie das „Heterogeneous Dual Helixes (HDH)-Modell“ nennen. „Das war eigentlich eine zufällige Entdeckung“
Alles begann mit einer weiteren Forschungsarbeit des Teams zur Entwicklung künstlicher Besamungstechniken für die Zucht von Knorpelfischen, einschließlich Haien und Rochen, deren Skelett ganz oder größtenteils aus Knorpel besteht. „Knorpelfische können als ‚Fabrik‘ verwendet werden, um Antikörper gegen Krankheiten, einschließlich COVID-19, herzustellen. Deshalb wollten wir künstliche Besamungstechniken entwickeln, um sie für eine hochwertige Aquakultur zu züchten“, sagte er.
Während dieses Prozesses war das Team sehr überrascht, als es zum ersten Mal die einzigartige Struktur und Schwimmbewegung von Strahlenspermien unter dem Mikroskop beobachtete. Sie entdeckten, dass der Kopf des Strahlensperma eine lange helikale Struktur hat und nicht rund ist und sich beim Schwimmen mit dem Schwanz dreht.
Das Team untersuchte weiter seinen Antriebsmechanismus, insbesondere die genaue Rolle des Kopfes in Bewegung. Sie fanden heraus, dass Strahlenspermien aus heterogenen helikalen Abschnitten bestehen: einem starren Spiralkopf und einem weichen Schwanz, die durch ein „Mittelstück“ verbunden sind, das Energie für die Rotationsbewegung liefert. Der Kopf der Strahlensperma ist nicht nur ein „Behälter“ des Erbguts, sondern ermöglicht zusammen mit dem weichen Schwanz auch den Vortrieb.
Um den Bewegungsmodus besser zu verstehen, analysierte das Team eine große Menge an Schwimmdaten und beobachtete die innere Struktur der Spermien auf der Nanoskala. Da sich beim Schwimmen Kopf und Schwanz der Strahlensperma mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten und Amplituden in die gleiche Richtung drehten, nannte das Team dies den heterogenen Dual-Helix-(HDH-)Antrieb.
Laut ihrer statistischen Analyse trug der Kopf etwa 31% der gesamten Vortriebskraft bei, was der erste aufgezeichnete Kopfvortrieb bei allen bekannten Spermien ist. Aufgrund des Beitrags des Kopfes ist die Bewegungseffizienz der Strahlensperma höher als bei anderen Arten wie Sterlet und Bulle, die nur vom Schwanz angetrieben werden.
„Eine solche unkonventionelle Antriebsart verleiht den Strahlenspermien nicht nur eine hohe Anpassungsfähigkeit an eine Vielzahl von viskosen Umgebungen, sondern führt auch zu einer überlegenen Bewegungsfähigkeit und Effizienz.“
Hohe Anpassungsfähigkeit an die Umwelt
Die Anpassungsfähigkeit an die Umwelt ist entscheidend für die natürliche Selektion. Kopf und Schwanz der Strahlenspermien können ihre Bewegung und ihren Beitrag zum Vortrieb entsprechend der Umgebungsviskosität anpassen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten für die Vorwärtsbewegung schwimmen. Daher können sich Strahlenspermien in verschiedenen Umgebungen mit einem breiten Viskositätsbereich bewegen, was eine hohe Anpassungsfähigkeit an die Umwelt zeigt.
Das Team fand auch heraus, dass Strahlenspermien eine einzigartige bidirektionale Schwimmfähigkeit haben, was bedeutet, dass sie nicht nur vorwärts, sondern auch rückwärts schwimmen können. Eine solche Fähigkeit bietet Spermien in der Natur Vorteile, insbesondere wenn sie auf Hindernisse stoßen. Und andere Spermien mit kugel- oder stäbchenförmigem Kopf können keine bidirektionale Bewegung erreichen.
Dank des HDH-Modells verfügt der Spiralkopf der Strahlenspermien über eine aktive Drehfähigkeit. Da sowohl der Kopf als auch der Schwanz zum Vortrieb beitragen, erzeugt der Winkel zwischen ihnen eine seitliche Kraft auf den Körper, die es dem Strahlensperma ermöglicht, sich zu drehen und eine hohe Flexibilität in seiner Bewegung zu zeigen.
Bio-inspirierter Roboter demonstriert das HDH-Modell
Das eigentümliche HDH-Modell zeigte umfangreiche Eigenschaften in Bezug auf Beweglichkeit und Effizienz und inspirierte das Team bei der Entwicklung von Mikrorobotern. Der bioinspirierte Roboter, ebenfalls mit starrem Spiralkopf und weichem Heck, zeigte bei gleicher Leistungsaufnahme ähnliche Überlegenheit gegenüber herkömmlichen Robotern in Bezug auf Anpassungsfähigkeit und Effizienz. Es konnte sich in einer Umgebung mit Flüssigkeit geschickt bewegen, selbst wenn sich die Viskosität änderte.
Solche Fähigkeiten können Erkenntnisse für die Konstruktion von Schwimmrobotern für anspruchsvolle Ingenieuraufgaben liefern und biomedizinische Anwendungen im menschlichen Körper mit komplexen fluidischen Umgebungen, wie in Blutgefäßen.