mini|Spermium und Eizelle
Ein Spermium (Plural Spermien), Spermatozoon (Plural Spermatozoen) oder Spermatozoid (Plural Spermatozoiden), auch Samenfaden oder Samenzelle genannt, ist eine Form von Gameten (Keimzellen), nämlich eine zu eigenständiger Bewegung fähige, reife Keimzelle, die durch die Vereinigung mit einer unbeweglichen, meist größeren Keimzelle (Eizelle) zu deren Befruchtung führt. Männliche Keimzellen, die nicht zu eigenständiger Bewegung fähig sind, werden als Spermatien (Singular Spermatium) bezeichnet.
Bei Menschen werden Spermien von einem männlichen Individuum meistens in großer Zahl in den Samenkanälchen der Hoden produziert und sind wesentlich kleiner als die zu befruchtende Eizelle der Frau, weil sie im Gegensatz zur Eizelle keine größeren Plasmamengen und dotterhaltigen Nährstoffe enthalten. Zu unterscheiden sind die Begriffe Spermium und Sperma. Das Sperma (die Flüssigkeit) besteht aus dem Seminalplasma mit den darin enthaltenen Spermien und etlichen Epithelzellen der Hodenkanälchen.
Verschiedene Zelltypen, so auch die Spermatozyten, besitzen eine Form des Immunprivilegs.S. Zhao, W. Zhu, S. Xue, D. Han: Testicular defense systems: immune privilege and innate immunity. In: Cellular & molecular immunology. Band 11, Nr. 5, September 2014, S. 428–437, , PMID 24954222, . Dieses Privileg verhindert eine Autoimmunreaktion gegen die Spermatozyten und ist zur Vorbeugung von Infektionen ausschlaggebend. Vergleiche mit Mäusen haben gezeigt, dass besonders Menschen bei einer Störung dieses Privilegs häufig an einer Orchitis zu erkranken scheinen, welche wiederum eine mögliche Ursache für Unfruchtbarkeit ist.
Trotz der historisch bedingt synonymen Bezeichnungsverwendung ist das Spermium nicht homolog zum Samen der Pflanzen, der bereits den pflanzlichen Embryo enthält, sondern es handelt sich um einen Gameten, dem bei Pflanzen funktionell die generative Zelle in einem Pollenkorn entspricht.
Als Zelle hatte Adolph von La Valette-St. George das Spermium (ebenso wie das Ei) 1865/1866 nachgewiesen.Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin / Göttingen / Heidelberg 1960, S. 41.
Spermien mit Geißeln mini|Feinstruktur eines humanen Spermatozoons
Menschliche Spermien können mit einem gewöhnlichen Lichtmikroskop bereits bei einer 100-, besser aber 400-fachen Vergrößerung ohne Einfärbung beobachtet werden. Beim menschlichen Spermium handelt es sich um eine begeißelte Zelle, die einen Kopfteil mit haploidem Chromosomensatz in einem Zellkern (entweder mit X- oder Y-Chromosom), ein Mittelstück („Hals“ mit Zentrosom und darumliegenden Mitochondrien-Paketen) sowie eine Geißel (auch als „Schwanz“ bezeichnet) besitzt. An der der Geißel gegenüberliegenden Seite, also beim Schwimmen an der Vorderseite des Spermiums, liegt der Kopf, der für das Eindringen in die Eizelle zuständig ist. Am äußersten Ende des Spermienkopfs befindet sich die Kopfkappe (Akrosom), die mit Enzymen gefüllt ist, die das Durchdringen der Ei-Membran erleichtern. Mittel- und Schwanzstück enthalten den Achsenfaden (axial filament). Dieses Filamentbündel entspringt am Zentriol und besteht wie eine Geißel aus zwei Zentral- und neun peripheren Doppelfilamenten.
Größen Die Größe der Spermien variiert bei den einzelnen Arten stark. Während die Riesenspermien von Ostrakoden (Muschelkrebsen) 7 mm lang sind und damit bis zu zehnmal so lang wie die Muschelkrebse selbst werden können,Siehe Erfolgsmodell Riesenspermium. und Wettlauf der Giganten – Riesenspermien in Mikrofossilien nachgewiesen. besitzen menschliche Spermien nur eine Länge von etwa 60 µm: der Kopfteil ist hierbei etwa 5 µm lang und 3 µm breit, während die Geißel einschließlich „Hals“ rund 50 µm lang ist. Die Größe der Spermien kann sogar innerhalb der gleichen Art variieren, je nachdem, ob ein Männchen mehrere Nebenbuhler hat oder nicht. So hat man bei Fröschen festgestellt, dass die Spermiengröße und damit auch die Länge der Geißel zunimmt, wenn das betreffende Männchen sich mit anderen Männchen um die Befruchtung der Eier eines Froschweibchens auseinanderzusetzen hat. Die Spermien mit der längsten Geißel, die am schnellsten schwimmen können, haben dabei die größte Chance, als erste die vom Weibchen ins Wasser abgegebenen Froscheier zu erreichen.
Nicht nur bei Süßwasser-Muschelkrebsen, sondern auch bei einigen anderen Arten im Tierreich gibt es Riesenspermien. Diese sind teilweise um ein Vielfaches länger als ihr Produzent. Sie kommen bei einigen Arten von Würmern, Schmetterlingen und Wasserwanzen vor. Den Größenrekord hält dabei die Taufliege Drosophila bifurca. Ihre Samenzellen messen mit bis zu 58 Millimetern Länge mehr als das Zehnfache der Körperlänge des Insekts.Spektrum der Wissenschaft: Das uralte Erbe der Riesenspermien. September 2009, S. 14–16.
Besondere Spermienformen Bei niederen Krebsen und etlichen Spinnentieren können die Spermien insgesamt kugelförmig sein. Der Spulwurm besitzt nagelförmige Spermien mit einem Glanzkörper aus spezifischen Eiweißen. Andere Rundwürmer und auch Milben haben amöboid bewegliche Spermien. Bei den Zehnfußkrebsen (Decapoda) kommt eine Art „Explosionseinrichtung“ in Form eines Sprungfedermechanismus vor, der das Spermium in die Eizelle katapultiert.
Bildung Bei Wirbeltieren werden Spermien im Epithel der Hodenkanälchen des Hodens produziert. Siehe Spermatogenese.
Menschliche Spermien mini|Phasenweise Darstellung des Eindringens des Spermiums in eine Eizelle
Entdeckung Bei Galenos (2. Jahrhundert n. Chr.) herrschte die Vorstellung von in den Hoden gebildetem männlichen und in den „weiblichen Hoden“, den Ovarien, gebildetem weiblichen „Sperma“Wolfgang Gerlach: Das Problem des weiblichen Samens in der antiken und mittelalterlichen Medizin. In: Sudhoffs Archiv. Band 30, Heft 4–5, 1938, S. 177–193. bzw. Samen.Erna Lesky: Galen als Vorläufer der Hormonforschung. In: Centaurus. Band 1, 1950/51, S. 156–162, hier: S. 159–161.
Spermatozoen wurden mikroskopisch vom Medizinstudenten Johan Ham († nach 1723Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff: Kurze Übersichtstabellen zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin / Göttingen / Heidelberg 1960, S. 24.) entdeckt. Er kam zu Antoni van Leeuwenhoek, der weiterführende Untersuchungen machte und 1677 einen Brief mit der Entdeckung an die Royal Society schickte.W. Schönfeld: Um die Entdeckung der menschlichen Samenfäden (Ludwig von Hammen aus Danzig – Johan Ham aus Arnheim [Holland] – Antony van Leeuwenhoek aus Delft). In: Archives of Dermatological Research. Band 178, Nr. 3, 1938, S. 358–372, DOI:10.1007/BF02061155.Observationes D. Anthonii Lewenhoeck, de Natis è semine genitali Animalculis. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Band 12, Nr. 1677, S. 1040–1046, (Volltext). Leeuwenhoek benannte die neu entdeckten „Partikel“ wie schon zuvor von ihm entdeckte Bakterien als Animalcula, also (Samen-)Tierchen, und ordnete sie den Infusorien zu. Er erkannte bereits richtig, dass sie im Hoden gebildet werden müssen. Seiner Vorstellung nach, als der eines der Begründer der Präformationslehre, handelte es sich aber um etwas wie Menschenlarven. Der gesamte Mensch wäre demnach im Spermium als „Homunculus“ bereits vorgebildet und müsse nur noch heranwachsen. Er bestritt jede Bedeutung der Mutter und der mütterlichen Eier (die Eizelle wurde erst 1827 entdeckt); sein Konkurrent Jan Swammerdam vertrat jedoch die gegenteilige Ansicht. In der Forschung der folgenden Jahrhunderte tobte ein erbitterter Streit zwischen den „Ovisten“, die den Keim des künftigen Menschen im Ei, und den „Animalculisten“, die ihn im Spermium lokalisierten. Beide glaubten an eine Präformation des Menschen im jeweiligen Keim, möglicherweise sogar immer kleiner eingeschachtelt, und so auf die ersten Menschen Adam oder Eva zurückgehend.Hans Fischer: Die Geschichte der Zeugung- und Entwicklungstheorien im 17. Jahrhundert. In: Gesnerus. Band 2, Nr. 2, 1945, S. 49–80, .
Den Ausdruck Spermatozoon (griechisch für Samentier, Samenlebewesen) verwendete erstmals 1826 der Embryologe Karl Ernst von Baer, der die fertile Funktion dieser „Lebewesen im Sperma“ damals zu Recht für unbewiesen hielt.zitiert aus Karl Friedrich Burdach: Die Physiologie als Erfahrungswissenschaft. Band 1. Voss, Leipzig 1826, S. 90, (vgl. Th. Schmuck: Baltische Genesis. Die Grundlegung der modernen Embryologie. Shaker, Aachen 2009, ISBN 978-3-8322-8781-8, S. 182).
1842 veröffentlichte der Schweizer Biologe Albert von Kölliker seine Untersuchungen an Spermien in dem Werk Untersuchungen über die Bedeutung der Samenfäden.
Dass Spermien in das Ovum eindringen, wurde mikroskopisch erstmals 1843 von Martin Barry beobachtet.Martin Barry: Spermatozoa observed within the mammiferous ovum. In: Philosophical Transactions of the Royal Society. Band 133, 1843, S. 33 (doi:10.1098/rstl.1843.0005, ).
Bau und Funktion Das Spermium des Mannes besteht aus einem Kopfteil, der den haploiden Chromosomensatz und zwischen 2682 und 2886 verschiedene mRNA-Moleküle im Zellkern enthält, einem Mittelstück mit vier bis fünf Mitochondrien, die die Energie in Form von ATP-Molekülen für die Fortbewegung liefern, einem beweglichen Schwanzteil mit längsverlaufendem Fibrillensystem aus Mikrotubuli zur Fortbewegung.
Menschliche Spermien dienen – wie die Spermatozoen der anderen Organismen – der Befruchtung einer weiblichen Eizelle. Sie werden nach ihrer Bildung (Spermatogenese) zunächst im männlichen Nebenhoden gelagert, um von dort aus über den Samenleiter und die Harnröhre bei der Ejakulation während des männlichen Orgasmus ausgestoßen zu werden. Rund 300 Millionen von ihnen landen in der weiblichen Scheide. Von der Scheide aus gelangt nur ein kleiner Teil der Spermien, die zur Befruchtung vorgesehen sind, über den Eileiter zur Eizelle, dem weitaus größeren Teil gelingt der hindernisreiche Weg bis in diese Region nicht, oder aber er ist für andere Funktionen vorgesehen (vergl. Spermienkonkurrenz).