Älteste Spermien der Welt

Es ist ein faszinierender Blick in die Vergangenheit, konserviert in Bernstein aus Myanmar. In einem winzigen Krebstier, das in der Kreidezeit vor etwa 100 Millionen Jahren in Harz eingeschlossen wurde, entdeckte ein internationales Team von Paläontologen riesige Spermien und damit eindeutige Hinweise darauf, wie sich die Tiere fortpflanzten.

Tomographische Analyse eines Weibchens des kreidezeitlichen Ostrakoden Myanmarcypris hui. Oben links: das Gehäuse aus zwei verkalkten Klappen ist bei dieser Art stark skulpturiert. Die beiden Antennenpaare sind ein wenig herausgestreckt (gelb und orange). Oben rechts: im Gehäuse (jetzt transparent) sieht man einige der Extremitätenpaare, aber auch Eier (grün) und die Speicherorgane für Spermien (violett). Unten rechts: Rekonstruktion der Spermienspeicherorgane. Unten links: die filamentösen Riesenspermien von Myanmarcypris  hui sind die ältesten bekannten Spermien. Urheber: He Wang

Es sind die bislang ältesten Nachweise von Spermien überhaupt. Produziert hat die Riesenzellen eine bislang unbekannte Krebstierart, die die Forscher Myanmarcypris hui nannten. Die winzigen Krustentiere mit ihrem typischen zweiklappigen, verkalkten Panzer gehören zu den sogenannten Ostrakoden und erinnern ein wenig an Muscheln. Sie existieren seit 500 Millionen Jahren, heute finden sich Tausende Arten. Sie leben in Meeren, Seen und Flüssen. Fossile Schalen dieser Krebse finden sich häufig, aber beim Exemplar aus Myanmar entdeckten die Forscher sogar versteinerte „Weichteile“, darunter innere Organe und sogar Fortpflanzungsorgane. „Es war eine überaus seltene Möglichkeit, etwas über die Evolution dieser Organe zu erfahren“, sagt die an der Auswertung wesentlich beteiligte LMU-Geobiologin Renate Matzke-Karasz.

Künstlerische Darstellung der kreidezeitlichen Myanmarcypris hui bei der Begattung: das Männchen (rechts) hält sich mit den Antennen am Rücken des Weibchens fest. Urheber: Dinghua Yang

Während der Kreidezeit lebten die Ostrakoden wahrscheinlich in den Küstengewässern des heutigen Myanmar, wo sie in einem Klecks Baumharz eingeschlossen wurden. Der sogenannte Kachin-Bernstein von Myanmar brachte in den vergangenen Jahren hervorragende Funde zutage, eingeschlossen im Harz, darunter Frösche, Schlangen und einen gefiederten Dinosaurierschwanz (nach neuen Erkenntnissen könnte dieses Exemplar auch eine ungewöhnliche Eidechsenart darstellen). Hunderte neuer Arten wurden in den vergangenen fünf Jahren beschrieben, und viele von ihnen veranlassten Evolutionsbiologen dazu, die gängigen Hypothesen darüber zu überdenken, wie sich bestimmte Abstammungslinien und ökologische Beziehungen entwickelten.

In diesem kleinen Stück Bernstein aus der Kreidezeit, gefunden in Myanmar, sind neben einigen Insekten insgesamt neununddreißig Ostrakoden eingeschlossen. Mithilfe tomographischer Technik konnten sie zerstörungsfrei untersucht und virtuell dreidimensional rekonstruiert werden. Das ‚Innenleben’ einiger Exemplare war erstaunlich gut erhalten. Urheber: He Wang & Xiangdong Zhao

Mithilfe von Röntgenmikroskopie fertigte das Team computergestützte 3-D-Rekonstruktionen der in den Bernstein eingebetteten Ostrakoden an. Die Bilder enthüllten erstaunliche Details: In den Schalen waren nicht nur die winzigen Gliedmaßen der Tiere erhalten geblieben, die Forscher konnten auch deren Fortpflanzungsorgane sehen – und eben die 100 Millionen Jahre alten Spermien. Verblüffend war dabei, dass sie die Spermien ausgerechnet im Inneren eines Weibchens entdeckten – und zwar in den beiden beutelartigen Behältern, in denen diese aufbewahrt werden, bis die Eier befruchtungsreif sind. „Dieses Weibchen muss sich kurz vor dem Einschluss im Baumharz noch gepaart haben“, sagt Studienautor He Wang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Nanjing. Die Rekonstruktionen enthüllten auch die charakteristischen muskulösen Spermienpumpen und zwei Penisse, mit denen männliche Muschelkrebse die Weibchen begatten.

Noch nie ließ sich ein derart alter und raffinierter evolutionärer Mechanismus in den Funden in so vielen Details dokumentieren. Die vorgefundene sehr weitgehende Anpassung werfe die Frage auf, so Matzke-Karasz, ob die Fortpflanzung mit Riesenspermien ein evolutionär stabiler Weg sein kann. Die Männchen der meisten Tiere (einschließlich des Menschen) produzieren in der Regel winzige Spermien in sehr großen Mengen. Nur wenige Tiere, darunter manche Fruchtfliegen und eben die Ostrakoden, stellen eine relativ kleine Anzahl überdimensionaler Spermien her, die um ein Vielfaches länger sind als das Tier selbst.

„Um zu zeigen, dass der Einsatz von Riesenspermien bei der Fortpflanzung keine Extravaganz der Evolution ist, sondern ein dauerhafter Vorteil für das Überleben einer Art sein kann, müssen wir wissen, wann sie zum ersten Mal aufgetreten sind", sagt Matzke-Karasz. Fossile Spermien aus dem Tierreich sind extrem selten; die ältesten bekannten Muschelkrebs-Spermien waren 17 Millionen Jahre alt, den Rekord hielten bislang Wurmspermien von 50 Millionen Jahren. Der neue Nachweis aus Myanmar, dass Tiere sich bereits seit mehr als hundert Millionen Jahren erfolgreich mit Riesenspermien fortpflanzen, beweise den Erfolg dieser Strategie, sagt Matzke-Karasz. „Das ist ziemlich beeindruckend für ein Merkmal, das sowohl von Männchen als auch von Weibchen eine so beträchtliche Investition erfordert. Sexuelle Fortpflanzung mit Riesenspermien muss also evolutionär gesehen durchaus vorteilhaft sein.“

Publikation

Wang H, Matzke-Karasz R, Horne DJ, Zhao X, Cao M, Zhang H, Wang B. 2020 Exceptional preservation of reproductive organs and giant sperm in Cretaceous ostracods.
Proceedings of the Royal Society B 20201661. Early online edition, http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2020.1661

Kontakte

Dr. Renate Matzke-Karasz
Department für Geo- und Umweltwissenschaften
Paläontologie & Geobiologie / LMU
Tel.: 0049 177 49 55 751
Email: r.matzke@lrz.uni-muenchen.de

Dr He Wang
Email: hwang@nigpas.ac.cn

Prof. Bo Wang
Email: bowang@nigpas.ac.cn