Sex oder Essen? Entscheidungsfindung bei Einzellern

16. Oktober  2018   Nr. 10/2018 (194)

Kieselalgen zeigen komplexes Verhalten: Sie können sich zwischen Partner- oder Nahrungssuche entscheiden.

Diatomeenzellen sammeln sich um ein Silikat-angereichertes Teilchen. Aufnahme: Karen Grace Bondoc, FSU Jena

Einzellige Kieselalgen sind in der Lage, ihr Verhalten auf verschiedene äußere Reize auszurichten und dabei eigene Bedürfnisse abzuwägen. Dies fanden Wissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie zusammen mit Partnern aus Belgien heraus. Die Algen sind zur Vermehrung auf Nährstoffe angewiesen, brauchen aber auch Paarungspartner. Diese finden sie indem sie Pheromonspuren folgen. Je nach Sättigung mit Nährstoffen oder der Notwendigkeit, sich sexuell zu vereinigen, lässt sich die Kieselalge Seminavis robusta entweder von Nährstoffen oder Sexualpheromonen anlocken und zeigt damit tatsächlich eine primitive Verhaltensbiologie (The ISME Journal, Oktober 2018, DOI: 10.1038/s41396-018-0299-2).

Kieselalgen oder Diatomeen sind einzellige Kleinstlebewesen. Sie sind ein Hauptbestandteil des Meeresphytoplanktons, das in unseren Ozeanen allgegenwärtig ist. An Ufern und Stränden kann man sie als Schmier- oder Biofilm auf Steinen und anderen Oberflächen beobachten. Sie sind nicht nur Nahrungsgrundlage für viele Meerestiere, sondern auch für eine überaus wichtige Ökosystemleistung verantwortlich: Sie tragen ganz erheblich zur globalen Fotosynthese und somit zur Produktion von Sauerstoff in der Erdatmosphäre bei. Darüber hinaus sind sie als potenzielle Produzenten von Biokraftstoffen in der Diskussion.

Die Kieselalge Seminavis robusta eignet sich gut als Modellorganismus, um im Labor Verhaltensuntersuchungen durchzuführen: Sie kann sich sexuell vermehren, und reagiert empfindlich auf unterschiedliche Umweltbedingungen. Die Arbeitsgruppe um Georg Pohnert, Lehrstuhlinhaber für Instrumentelle Analytik/Bioorganische Analytik an der Friedrich-Schiller-Universität und Leiter der Max-Planck-Fellow-Gruppe am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, wollte herausfinden, ob die winzigen Lebewesen in der Lage sind, eine Entscheidung darüber zu treffen, was sie dringender benötigen: Nahrung oder einen Paarungspartner.

Dazu wurden die Zellen unter verschiedenen Bedingungen kultiviert; insbesondere wurden sie mit unterschiedlichen Mengen von Nährstoffen sowie Sexualpheromonen konfrontiert. Da sich Kieselalgen in erster Linie ungeschlechtlich durch Zellteilung vermehren, ist ein sexueller Vorgang vor allem dann überlebensnotwendig, wenn die Zellen nach fortlaufender Teilung immer kleiner werden, denn die Einzeller sterben, wenn sie eine Mindestgröße unterschreiten. Kieselalgen suchen aber auch aktiv nach Nährstoffen, die sie für den Aufbau ihrer Zellwand benötigen. Sie können Silikate in ihrer Umgebung wahrnehmen und dann zielsicher ansteuern. Dabei werden sie vom "Duft" dieser Mineralien angezogen (siehe Pressemeldung Der Duft der Steine vom 4. Februar 2016). 

„Es ist bemerkenswert, dass einzellige Lebewesen, die ganz offensichtlich kein Nervensystem haben, in der Lage sind, verschiedene Reize zu verarbeiten und sogar ihre individuell unterschiedlichen Bedürfnisse abzuwägen. Unsere Untersuchungen ergaben, dass die Kieselalgen ihr Verhalten flexibel an die Umweltbedingungen anpassten, und je nach Bedürfnis zur sexuellen Vermehrung anders reagierten. Wir konnten beobachten, dass die Einzeller sich zu Pheromonen oder Nahrungsquellen bewegen, je nachdem wie hungrig sie nach Sex oder Nähstoffen sind.  Diese Art von Entscheidungsfindung wurde bislang nur höheren Organismen zugeschrieben“, fasst Studienleiter Georg Pohnert die Ergebnisse zusammen.

Die Entscheidungsfindung der Algen bestimmt nicht nur das Schicksal einzelner Zellen, sondern ist auch für die Dynamik von Biofilmen, zu denen sich unzählige Kieselalgen in Lebensgemeinschaften zusammenschließen, entscheidend. Mittels mathematischer Modelle berechneten die Wissenschaftler Wechselwirkungen zwischen Zelldichte und der Verfügbarkeit von Nährstoffen (Silikat) und Paarungspartnern (Pheromon). Aufgrund der Ergebnisse können sie nun besser erklären, wie Biofilme organisiert sind, und warum sie oft ungleichmäßig sind und Muster aufweisen.

Wie die Einzeller in der Lage sind, chemische Signale aufzunehmen, zu verarbeiten und zu bewerten, müssen die Wissenschaftler noch herausfinden. „Die Suche nach entsprechenden Rezeptoren und Signalverarbeitungswegen ist natürlich unser Ziel. Allerdings wird das ein sehr komplexes Unterfangen, denn wir wissen immer noch zu wenig über diese wichtigen Kleinstlebewesen aus dem Meer“, sagt Georg Pohnert.

Film 1 zeigt, wie sich Zellen um einen mit Nährstoffen (Silikat-Minerale) geladenen Partikel sammeln (rauer Partikel). Copyright: Karen Grace Bondoc, FSU Jena

Film 2 zeigt, wie chemische Signale die Sexualität der Kieselalgen auslösen. Die gleichen Zellen bevorzugen plötzlich Pheromone (runder Partikel). Copyright: Karen Grace Bondoc, FSU Jena


Originalveröffentlichung:
Bondoc, K. G. V., Lembke, C., Lang, S. N., Germerodt, S., Schuster, S., Vyverman, W., Pohnert, G. (2018). Decision-making of the benthic diatom Seminavis robusta searching for inorganic nutrients and pheromones. The ISME Journal. DOI: 10.1038/s41396-018-0299-2   
https://doi.org/10.1038/s41396-018-0299-2  

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Georg Pohnert, Institut für Anorganische und Analytische Chemie, Friedrich- Schiller-Universität Jena, Lessingstraße 8, 07743 Jena, Tel. +49 3641 94-8170, E-Mail Georg.Pohnert@uni-jena.de 

Download des Videos und hochaufgelösten Bildern über www.ice.mpg.de/ext/downloads2018.html