Erinnerungen eines Einzelzellers – Gedächtnis ohne Gehirn
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Erinnerungen eines Einzelzellers – Gedächtnis ohne Gehirn
Physarumpolycephalum ist ein azellulärer Schleimpilz, ein sogenannter Myxogastrid, der eng mit den zellulären Schleimpilzen (Dictyosteliden) einschließlich des bekannten Dictyosteliumdiscoideum verwandt ist. Physarum wächst zunächst als einzellige Amöbe, wobei die Amöben verschiedener Individuen später verschmelzen, sodass der Organismus seine zelluläre Struktur verliert. Während der Organismus weiter wächst, teilen sich die Zellkerne ohne Zellteilung. Der dabei entstehende Kernsack wird als Coenozyt oder Plasmodium bezeichnet (Alim 2013). Physarum kann also als ein einzelliger Organismus mit vielen Kernen betrachtet werden, der aufgrund seiner äußeren Glykoprotein-Gel-Schicht ein schleimiges Aussehen hat – daher auch der Name Schleimpilz. Sein Körper ist eine riesige Einzelzelle, die aus miteinander verbundenen Röhren besteht, welche ein komplexes Netzwerk bilden (Abb. 1). Diese Einzeller erreichen enorme Größen und nehmen häufig die Form amöbenartiger Wesen von mehreren Zentimetern Länge an. Aufgrund seiner immensen Ausdehnungsfähigkeit wird Physarum im Guiness-Buch der Rekorde als die größte Zelle der Erde geführt.
Die Fähigkeit, Informationen zu speichern und wiederzugewinnen, um nach Nahrung zu suchen oder schädliche Umgebungen zu meiden, wurde bisher nur Organismen mit einem Nervensystem zugeschrieben. Physarum hat ein solches System jedoch nicht. Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) und der Technischen Universität München (TUM) haben nun herausgefunden, wie dieser Organismus dennoch Informationen über seine Umgebung abruft und speichert (Kramar & Alim 2021). Physarumwird manchmal als „intelligent“ bezeichnet, denn seine Verhaltensweisen sind ziemlich komplex und der Schleimpilz kann anspruchsvolle Probleme lösen – ohne Gehirn. So kann er beispielsweise den kürzesten Weg durch ein Labyrinth finden. Sein Röhrennetz kann verschiedene Ressourcen miteinander verbinden und die Biomasse proportional verteilen, um eine optimale Ernährung zu erreichen. Seine Netzwerke transportieren Substrate effizient, sind aber auch ausreichend redundant, um gegen die Zerstörung von Röhren gewappnet zu sein.
Figure 1. Abb. 1 Schleimpilz Physarum polycephalum. (© TommyIX, iStock)
Wie könnte das Gedächtnis in Organismen funktionieren, die keinen mehrzelligen Körper und kein Nervensystem besitzen? Es stellte sich heraus, dass die Erinnerung an die Vergangenheit in der Netzwerkarchitektur der Röhren gespeichert wird. Dies wurde deutlich, als die Forscher den Wanderungs- und Fütterungsprozess des Organismus verfolgten. Lange nach der Fütterung beobachteten sie eine deutliche Prägung des Musters der dickeren und dünneren Röhren des Netzwerks durch die jeweilige Nahrungsquelle. Karen Alim, die leitende Forscherin und Professorin für Theorie biologischer Netzwerke an der Technischen Universität München, kommentiert dies in Science Daily: „Angesichts der hochdynamischen Reorganisation des Netzwerks von P. polycephalum brachte die Beständigkeit der Prägung die Idee hervor, dass die Netzwerkarchitektur selbst als Gedächtnis der Vergangenheit dienen könnte.“ Zunächst war es jedoch erforderlich, den Mechanismus aufzuklären, der hinter der Bildung der Prägung steht.
Mikroskopische Beobachtungen und mathematische Modellierung zeigten, dass diese Röhren als Reaktion auf eine Nährstoffquelle im Durchmesser wachsen oder schrumpfen, wodurch die Position des Nährstoffs in der Hierarchie der Röhrendurchmesser gespeichert wird. Der Nährstoff selbst löst die lokale Freisetzung eines Weichmachers aus, der durch die zellulären Ströme innerhalb des Röhrennetzes transportiert wird. Röhren, die viel Weichmacher erhalten, vergrößern ihren Durchmesser auf Kosten der anderen Röhren, die schrumpfen. Dadurch werden die Kapazitäten der Röhren für den strömungsbasierten Transport permanent in Richtung des Nährstoffstandortes erhöht. Dies lenkt auch zukünftige Entscheidungen und Wanderungen der Röhren um. Der Nährstoffstandort wird also in der Hierarchie der Röhrendurchmesser des Netzwerks gespeichert und von dort abgerufen. Mirna Kramar, Mitautorin der Studie, kommentiert: „Vergangene Fütterungsereignisse sind in der Hierarchie der Röhrendurchmesser eingebettet, insbesondere in der Anordnung von dicken und dünnen Röhren im Netzwerk“ (TUM 2021).
Obwohl der durch den Nährstoff ausgelöste Weichmacher noch unbekannt ist, könnte das Gedächtnis durch die Verwendung künstlicher, die Röhren aufweichender Verbindungen nachgeahmt werden. Diese Erkenntnisse erklären, wie netzwerkbildende Organismen wie Schleimpilze und Pilze in komplexen Umgebungen gedeihen. Die Autoren schreiben, dass dieser Mechanismus von Strömungsnetzwerken einer Art assoziativem Gedächtnis ähnelt, was höchstwahrscheinlich auch für eine Vielzahl von noch nicht untersuchten Strömungsnetzwerken in anderen Organismen von Bedeutung ist. Als Hoffnung für künftige Entwicklungen führen sie an, dass ihre Erkenntnisse bioinspirierte Designanwendungen ermöglichen könnten, zum Beispiel bei Robotern mit weichen Körpern, die durch komplexe Umgebungen navigieren müssen. Sollte es „eines Tages“ wirklich navigierende Roboter mit Gedächtnis geben, werden sie sicherlich von intelligenten Menschen entworfen worden sein. Ist es da noch angemessen zu glauben, dass Physarum durch einen blinden evolutionären Prozess entstanden ist?
Literatur
Alim K, Andrew N & Pringle A (2013) Physarum. Curr. Biol. 23, PR1082-R1083. https://www.cell.com/current-biology/comments/S0960-9822(13)01187-1
Kramar M & Alim K (2021) Encoding memory in tube diameter hierarchy of living flow network. Proc. Natl. Acad. Sci. 118, e2007815118 DOI: 10.1073/pnas.2007815118
TUM, Technical University of Munich (2021) A memory without a brain: How a single cell slime mold makes smart decisions without a central nervous system. ScienceDaily 23 February 2021. https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210223121643.htm
Erinnerungen eines Einzelzellers – Gedächtnis ohne Gehirn
Physarumpolycephalum ist ein azellulärer Schleimpilz, ein sogenannter Myxogastrid, der eng mit den zellulären Schleimpilzen (Dictyosteliden) einschließlich des bekannten Dictyosteliumdiscoideum verwandt ist. Physarum wächst zunächst als einzellige Amöbe, wobei die Amöben verschiedener Individuen später verschmelzen, sodass der Organismus seine zelluläre Struktur verliert. Während der Organismus weiter wächst, teilen sich die Zellkerne ohne Zellteilung. Der dabei entstehende Kernsack wird als Coenozyt oder Plasmodium bezeichnet (Alim 2013). Physarum kann also als ein einzelliger Organismus mit vielen Kernen betrachtet werden, der aufgrund seiner äußeren Glykoprotein-Gel-Schicht ein schleimiges Aussehen hat – daher auch der Name Schleimpilz. Sein Körper ist eine riesige Einzelzelle, die aus miteinander verbundenen Röhren besteht, welche ein komplexes Netzwerk bilden (Abb. 1). Diese Einzeller erreichen enorme Größen und nehmen häufig die Form amöbenartiger Wesen von mehreren Zentimetern Länge an. Aufgrund seiner immensen Ausdehnungsfähigkeit wird Physarum im Guiness-Buch der Rekorde als die größte Zelle der Erde geführt.
Die Fähigkeit, Informationen zu speichern und wiederzugewinnen, um nach Nahrung zu suchen oder schädliche Umgebungen zu meiden, wurde bisher nur Organismen mit einem Nervensystem zugeschrieben. Physarum hat ein solches System jedoch nicht. Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) und der Technischen Universität München (TUM) haben nun herausgefunden, wie dieser Organismus dennoch Informationen über seine Umgebung abruft und speichert (Kramar & Alim 2021). Physarumwird manchmal als „intelligent“ bezeichnet, denn seine Verhaltensweisen sind ziemlich komplex und der Schleimpilz kann anspruchsvolle Probleme lösen – ohne Gehirn. So kann er beispielsweise den kürzesten Weg durch ein Labyrinth finden. Sein Röhrennetz kann verschiedene Ressourcen miteinander verbinden und die Biomasse proportional verteilen, um eine optimale Ernährung zu erreichen. Seine Netzwerke transportieren Substrate effizient, sind aber auch ausreichend redundant, um gegen die Zerstörung von Röhren gewappnet zu sein.
Figure 1. Abb. 1 Schleimpilz Physarum polycephalum. (© TommyIX, iStock)
Wie könnte das Gedächtnis in Organismen funktionieren, die keinen mehrzelligen Körper und kein Nervensystem besitzen? Es stellte sich heraus, dass die Erinnerung an die Vergangenheit in der Netzwerkarchitektur der Röhren gespeichert wird. Dies wurde deutlich, als die Forscher den Wanderungs- und Fütterungsprozess des Organismus verfolgten. Lange nach der Fütterung beobachteten sie eine deutliche Prägung des Musters der dickeren und dünneren Röhren des Netzwerks durch die jeweilige Nahrungsquelle. Karen Alim, die leitende Forscherin und Professorin für Theorie biologischer Netzwerke an der Technischen Universität München, kommentiert dies in Science Daily: „Angesichts der hochdynamischen Reorganisation des Netzwerks von P. polycephalum brachte die Beständigkeit der Prägung die Idee hervor, dass die Netzwerkarchitektur selbst als Gedächtnis der Vergangenheit dienen könnte.“ Zunächst war es jedoch erforderlich, den Mechanismus aufzuklären, der hinter der Bildung der Prägung steht.
Mikroskopische Beobachtungen und mathematische Modellierung zeigten, dass diese Röhren als Reaktion auf eine Nährstoffquelle im Durchmesser wachsen oder schrumpfen, wodurch die Position des Nährstoffs in der Hierarchie der Röhrendurchmesser gespeichert wird. Der Nährstoff selbst löst die lokale Freisetzung eines Weichmachers aus, der durch die zellulären Ströme innerhalb des Röhrennetzes transportiert wird. Röhren, die viel Weichmacher erhalten, vergrößern ihren Durchmesser auf Kosten der anderen Röhren, die schrumpfen. Dadurch werden die Kapazitäten der Röhren für den strömungsbasierten Transport permanent in Richtung des Nährstoffstandortes erhöht. Dies lenkt auch zukünftige Entscheidungen und Wanderungen der Röhren um. Der Nährstoffstandort wird also in der Hierarchie der Röhrendurchmesser des Netzwerks gespeichert und von dort abgerufen. Mirna Kramar, Mitautorin der Studie, kommentiert: „Vergangene Fütterungsereignisse sind in der Hierarchie der Röhrendurchmesser eingebettet, insbesondere in der Anordnung von dicken und dünnen Röhren im Netzwerk“ (TUM 2021).
Obwohl der durch den Nährstoff ausgelöste Weichmacher noch unbekannt ist, könnte das Gedächtnis durch die Verwendung künstlicher, die Röhren aufweichender Verbindungen nachgeahmt werden. Diese Erkenntnisse erklären, wie netzwerkbildende Organismen wie Schleimpilze und Pilze in komplexen Umgebungen gedeihen. Die Autoren schreiben, dass dieser Mechanismus von Strömungsnetzwerken einer Art assoziativem Gedächtnis ähnelt, was höchstwahrscheinlich auch für eine Vielzahl von noch nicht untersuchten Strömungsnetzwerken in anderen Organismen von Bedeutung ist. Als Hoffnung für künftige Entwicklungen führen sie an, dass ihre Erkenntnisse bioinspirierte Designanwendungen ermöglichen könnten, zum Beispiel bei Robotern mit weichen Körpern, die durch komplexe Umgebungen navigieren müssen. Sollte es „eines Tages“ wirklich navigierende Roboter mit Gedächtnis geben, werden sie sicherlich von intelligenten Menschen entworfen worden sein. Ist es da noch angemessen zu glauben, dass Physarum durch einen blinden evolutionären Prozess entstanden ist?
Literatur
Alim K, Andrew N & Pringle A (2013) Physarum. Curr. Biol. 23, PR1082-R1083. https://www.cell.com/current-biology/comments/S0960-9822(13)01187-1
Kramar M & Alim K (2021) Encoding memory in tube diameter hierarchy of living flow network. Proc. Natl. Acad. Sci. 118, e2007815118 DOI: 10.1073/pnas.2007815118
TUM, Technical University of Munich (2021) A memory without a brain: How a single cell slime mold makes smart decisions without a central nervous system. ScienceDaily 23 February 2021. https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210223121643.htm