Iqhwa ist derzeit der Star im Wiener Tiergarten Schönbrunn. Das sind kleine Elefanten eigentlich immer. Dieses Weibchen aber ist etwas ganz Besonderes: Sie ist das weltweit erste Elefantenkalb, das bei einer Befruchtung mit tiefgefrorenem Sperma entstand.

Seine Wiener Mutter Tonga und sein Vater, ein freilebender Bulle aus dem Phinda-Reservat in Südafrika, haben sich nie gesehen. Eine Fernbeziehung also – und zwar eine, die von Berliner Forschern nicht leicht zu arrangieren war. Denn von einem Elefantenbullen Sperma zu gewinnen, dieses unbeschadet einzufrieren und schließlich ein Weibchen damit zu befruchten, ist eine echte Herausforderung.

Die dazu nötigen Methoden hat ein Team vom Berliner Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (IZW) entwickelt. Mit dem tiefgekühlten Samen wollen die Forscher nicht nur für mehr Abwechslung im Erbgut von Zoo-Elefanten sorgen. Auch der Artenschutz soll profitieren. Wenn Tiere in kleinen, isolierten Beständen leben, bekommen sie oft ein Problem mit der Genetik. Da sie sich mangels Alternativen immer wieder mit ihren Verwandten paaren, wird das Erbgut der einzelnen Individuen mit der Zeit immer ähnlicher.

Damit aber verliert die Population einen guten Teil ihrer Anpassungsfähigkeit. Wenn sich die Umwelt verändert, wäre ein Spezialist gefragt, der gut mit hohen Temperaturen oder langer Trockenheit zurechtkommt. Doch die Chance, dass ausgerechnet diese Variante im geschrumpften Genpool überlebt hat, ist gering. Zudem bringt Inzucht oft auch noch Erbkrankheiten und andere Gesundheitsprobleme mit sich.

Bei Zoo-Elefanten ist es nicht weit her mit der genetischen Vielfalt. „Das liegt unter anderem daran, dass Elefantenbullen nicht leicht im Umgang sind“, erklärt IZW-Mitarbeiter Robert Hermes. Deshalb beschränken sich viele Zoos auf die Haltung von Weibchen. Unter den gut 200 Afrikanischen Elefanten, die in Europas Tiergärten leben, kommt auf vier Kühe nur ein Bulle.

Die Zahl der möglichen Väter, die ihre Erbeigenschaften beisteuern könnten, ist also begrenzt. Zumal es sich bei ihnen auch keineswegs immer um Casanovas handelt: „Viele Männchen nehmen gar nicht aktiv am Zuchtgeschehen teil“, sagt Hermes. „Manche haben einfach keine Lust auf sexuelle Aktivitäten.“

Erbgut muss unterschiedlich sein

Dieses Hindernis können die IZW-Forscher schon seit rund 15 Jahren umgehen. Denn ein Team um Thomas Hildebrandt und Frank Göritz hat Instrumente und Verfahren für die künstliche Befruchtung von Elefanten entwickelt. Sperma wird dem zukünftigen Vater entnommen und mittels eines speziellen Besamungsbestecks in das Weibchen eingeführt. Für so ein Unterfangen braucht man allerdings auch das richtige Sperma. Die darin enthaltenen Erbinformationen sollten sich möglichst stark von denen der Mutter unterscheiden. Und befruchtungsfähig muss es natürlich auch sein.

Genau daran aber hapert es oft. Denn viele Zoo-Elefanten haben bei ihrem Sperma ein Qualitätsproblem: Die Samenzellen sind missgebildet oder bewegen sich nicht genug, um die Eizelle zu erreichen. „Wir sind deshalb ständig auf der Suche nach guten Samenspendern“, sagt Robert Hermes. Die aber finden sich vor allem in freier Wildbahn. Und damit stehen die Forscher schon vor der nächsten Schwierigkeit. Denn um das im Busch gewonnene Sperma an seinen Bestimmungsort in einem europäischen Zoo transportieren zu können, muss man es einfrieren und dadurch haltbar machen.

Bei menschlichen Spermien wäre das kein Problem. Die kann man einfach in flüssigem Stickstoff auf Temperaturen von minus 196 Grad Celsius herunterkühlen und bei Bedarf wieder auftauen. Die Samenzellen von Elefanten und vielen anderen Säugetieren aber reagieren deutlich empfindlicher. „Die zarten Membranen, die sie umhüllen, werden leicht von Eiskristallen verletzt“, erklärt Robert Hermes. Und das ist dann das Ende des erhofften Dickhäuter-Nachwuchses.

Die Elefanten, die bisher durch künstliche Befruchtung gezeugt wurden, verdanken ihr Leben daher frischem oder nur leicht gekühltem Sperma. Nur in zwei Fällen hatte eingefrorenes und wieder aufgetautes Material zu einer Befruchtung geführt, beide Schwangerschaften endeten aber vorzeitig. Die Idee der Gefrierkonservierung erschien Hildebrandt und seinen Kollegen dennoch vielversprechend genug, um in Südafrika einen neuen Versuch zu unternehmen.

Freiwillig ist allerdings kein Elefant zur Samenspende bereit. Dazu mussten Narkosespezialisten die Tiere betäuben. „Ohne Vollnarkose läuft da nichts“, erklärt Chef-Anästhesist Frank Göritz. Es gilt schließlich, dem Tier mit einer Elektrosonde und schwachem Gleichstrom die Prostata zu stimulieren. Nach etwa einer halben Stunde Arbeit können die Forscher im Durchschnitt 10 bis 200 Milliliter Samenflüssigkeit auffangen.

Frostschutzmittel für Sperma

Insgesamt 14 graue Samenspender haben Hermes, Hildebrandt und Göritz im Phinda-Reservat rekrutiert. Um die Qualität der Proben zu prüfen, haben die IZW-Tierärzte in ihrem Busch-Camp ein Sperma-Labor aufgebaut. Dort ließen sich die Zellen unter dem Mikroskop auf Beweglichkeit und intaktes Äußeres untersuchen. Proben, die diesen Test bestanden hatten, haben die Forscher dann weiter behandelt. „Für das Einfrieren ist es zum Beispiel nicht gut, die Spermien in der Samenflüssigkeit zu lassen“, erklärt Hermes. Also wird dieses sogenannte Seminalplasma entfernt und durch ein Nährmedium ersetzt.

Das Rezept dafür müssen die Forscher allerdings für jede Tierart neu zusammenstellen. Und auch bei der Auswahl und Dosierung des sogenannten Kryoprotektivums, das wie eine Art Frostschutzmittel die Zellen vor Schäden schützen soll, ist einige Tüftelei gefragt. „Zum Glück konnten wir in Südafrika genügend Proben gewinnen, um das alles auszuprobieren“, sagt Hermes. Als „Frostschutzmittel“ hat sich dabei eine siebenprozentige Glycerol-Lösung bewährt, als Nährmedium eine Mixtur aus Eigelb und verschiedenen Pufferlösungen.

Der ganze Cocktail muss dann nur noch schrittweise heruntergekühlt und schließlich in flüssigem Stickstoff eingefroren werden. In einem Spezialgerät können die Forscher relativ große Proben von bis zu acht Millilitern tiefkühlen – und zwar so, dass sich das Eis zunächst nur an einem Ende des Probegefäßes bildet. Von dort wächst es wie ein Eiszapfen nach und nach weiter vor. Das hat den Vorteil, dass die Eiskristalle nicht kreuz und quer, sondern kompakt auftreten. So sinkt die Verletzungsgefahr für die Samenzellen.

Mit dem Ergebnis der ganzen Prozedur sind die Forscher äußerst zufrieden. „Mehr als die Hälfte der Zellen waren nach dem Auftauen wieder beweglich und damit befruchtungsfähig“, erklärt Hermes. „Das ist ein sehr guter Wert“. Den endgültigen Praxistest haben die Tiefkühlspermien aus der Wildnis dann bei der Befruchtung in Wien bestanden. „Das Ganze ist natürlich ziemlich aufwändig“, gibt Hermes zu. Zwei bis drei Pickups voller Geräte und Technik müssen in den Busch geschafft werden, von einem ausreichenden Vorrat an flüssigem Stickstoff ganz zu schweigen.

„Trotzdem ist die Gefrierkonservierung eine Methode mit Zukunft“, ist Hermes überzeugt. Und zwar nicht nur für Zoo-Elefanten. Die Forscher hoffen, dass ihr Verfahren auch zum Überleben von Nashörnern und anderen stark bedrohten Arten beitragen kann.