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Spermien arbeiten öfter im Team als gedacht
Nicht immer gewinnt bei der Befruchtung das schnellste einzelne Spermium. Eine groß angelegte Evolutionsanalyse zeigt, dass Spermien bei Gliederfüßern erstaunlich häufig Verbände bilden und diese Kooperation im Lauf von rund 500 Millionen Jahren immer wieder entstand und verschwand. Spezielles Material rund um die Spermien könnte dabei eine Schlüsselrolle spielen.
Syracuse (U.S.A.). Spermien gelten als Paradebeispiel biologischer Konkurrenz. Doch bei vielen Tieren verbinden sich die Keimzellen zu Paaren, Bündeln oder größeren Verbänden und bewegen sich gemeinsam durch den weiblichen Fortpflanzungstrakt. Dieses als Spermienkonjugation bezeichnete Phänomen ist seit mehr als einem Jahrhundert bekannt, galt bislang aber als vergleichsweise selten.
Wie verbreitet diese Kooperation tatsächlich ist und wie oft sie im Lauf der Evolution entstanden ist, war deshalb unklar. Forscher der Syracuse University um R. Antonio Gomez haben nun Daten zur Spermienstruktur von 621 Arten aus der Fachliteratur zusammengetragen und auf einen zeitlich kalibrierten Stammbaum von Gliederfüßern und nahen Verwandten übertragen.
Die Analyse zeigt, dass Spermienkonjugation in allen heute lebenden Unterstämmen der Gliederfüßer vorkommt. Unter den 88 untersuchten Ordnungen fanden die Forscher sie in 34, also in gut 38 Prozent. Besonders bemerkenswert ist die lange Evolutionsgeschichte. Die ersten rekonstruierten Ursprünge reichen etwa 453 bis 509 Millionen Jahre zurück und liegen auf der frühen Linie zu den Sechsfüßern.
Seitdem ging die Fähigkeit immer wieder verloren und entstand unabhängig neu. Je nach Rekonstruktionslauf ergaben sich 34 bis 63 unabhängige Entstehungen und 29 bis 77 Verluste. Über den gesamten untersuchten Stammbaum hinweg verbrachten Gliederfüßer und ihre nahen Verwandten schätzungsweise rund zwei Drittel ihrer Evolutionszeit mit konjugierten Spermien. Auch der gemeinsame Vorfahr aller Insekten und der übrigen Sechsfüßer besaß der Analyse zufolge wahrscheinlich bereits solche Spermienverbände.
„Befruchtung wird oft als Wettbewerb zwischen einzelnen Spermien betrachtet, aber bei vielen Arten sehen wir Zellen, die auf eine Weise zusammenarbeiten, die den Fortpflanzungserfolg beeinflussen kann“, erklärt Steve Dorus von der Syracuse University.
Die häufigen Gewinne und Verluste sprechen dafür, dass die Evolution diese Form der Zusammenarbeit wiederholt hervorgebracht hat, statt dass sie nur einmal entstand und anschließend über Hunderte Millionen Jahre erhalten blieb.
„Die Evolution hat im Grunde immer wieder dasselbe Experiment in verschiedenen Gruppen von Gliederfüßern durchgeführt. Dadurch können wir nicht nur erkennen, wann Spermienkooperation entsteht, sondern auch, wann sie verschwindet und unter anderen evolutionären Bedingungen erneut auftritt“, sagt R. Antonio Gomez.
Eine zentrale Rolle könnte dabei sogenanntes spermienassoziiertes Material, kurz SAM, spielen. Diese membranumhüllte extrazelluläre Substanz kann Spermien miteinander verbinden oder äußere Strukturen bilden, an denen sich die Zellen anordnen. In allen untersuchten Gliederfüßern mit Spermienkonjugation kam solches Material vor. Meist entstand SAM in der rekonstruierten Evolutionsgeschichte bereits, bevor sich daraus feste Spermienverbände entwickelten.
Das Team unterschied fünf Grundformen solcher Verbände, von einfachen Paaren und Aggregaten bis zu Spermien, die sich an spezialisierten Stäben aus SAM anheften. Proteomanalysen an unabhängig entstandenen Stabstrukturen bei Käfern und Wanzen lieferten zudem Hinweise darauf, dass ähnliche Proteinbausteine mehrfach für solche Strukturen genutzt wurden. Das könnte erklären, warum vergleichbare Lösungen in weit entfernten Tiergruppen wiederholt entstehen konnten.