Intelligenter Schleim? Ein interaktives Projekt zur Untersuchung von Schleimpilzen Teach article

Übersetzt von Inci Aydin. Diese einfachen aber ungewöhnlichen Lebensformen können genutzt werden, um das Verständnis der Schüler von Leben und der wissenschaftlichen Methode zu entwickeln

Ein Plasmodium in seinem natürlichen Lebensraum
Mit freundlicher Genehmigung von Frankenstoen/Wikimedia Commons

Sich bewegender roter oder gelber Schleim mag wie etwas aus einem Science-Fiction-Film aus den 1950er Jahren klingen, aber Wissenschaftler benutzen Schleimpilze oft als Modelorganismen, um Zellbewegung, -wachstum und -differenzierung zu untersuchen (Montag, 2008).

Schleimpilze (Eumycetozoa) sind eine der vielfältigsten Gattungen, die der Menschheit bekannt sind. Aufgrund ihrer Vielfältigkeit ist es nicht einfach, sie zu klassifizieren und das Klassifikationssystem selbst ändert sich immer wieder innerhalb von wenigen Jahren. Es ist nicht einmal klar, zu welcher anderen Gruppe von Organismen sie gehören: ihre Fruchtkörper ähneln denen von echten Pilzen, aber ihre Gene zeigen, dass sie näher mit den Flagellaten und Amöben verwandt sind (Hoppe & Kutschera, 2010).

Es gibt mehr als 1000 Arten von Schleimpilzen (Unterklasse Myxomyceten), und jeder Organismus besteht nur aus einer einzigen Zelle. Sie sind an Umgebungen jeder Art angepasst und ernähren sich von anderen Mikroorganismen oder Detritus.

Physarum polycephalum ist die bestbekannteste Art der Myxomyceten und ist ein benutzerfreundlicher Organismus zur Demonstration vieler grundlegender biologischer Prozesse.

Abbildung 1: Die Entwicklung
von Physarum. Die vegetative
Entwicklung von Physarum
beginnt mit der gepaarten
Verschmelzung von
Myxamöben und
Myxoflagellaten (1). Der
Zellkern der resultierenden
diploiden Zygote (2)
verdoppelt sich dann einige
Male mitotisch, ohne dass
sich das Plasmodium
vermehrt. So entsteht ein
vielkerniges Plasmodium (3),
das dann innerhalb von drei
bis vier Tagen bei
Raumtemperatur zu einem
makroskopischen Netzwerk
wächst (Esser, 2000). Auch
wenn die normale Größe
eines solchen Netzwerks 15´
15 cm beträgt, haben
Plasmodien Berichten zufolge
3 müberschritten ​(Marwan,
2001
)

Mit freundlicher Genehmigung
der Autoren

Die makroskopische Form des Schleimpilzes, Plasmodium genannt, ist ständig in Bewegung auf der Suche nach Nahrung; sobald Physarum etwas gefunden hat, wird es die Partikel oder Mikroorganismen verschlingen, wobei Nahrungsvakuolen gebildet werden, die dann innerhalb der Zelle verdaut werden.

Wenn Physarums Umgebung zu trocken wird, dann verändert es sich in eine widerstandsfähigere Form, sodass der Schimmelpilz lange Trockenperioden überleben kann. Sobald sich die Bedingungen verbessern, kann sich der Schimmelpilz wieder zu einem normalen Plasmodium entwickeln. Umwelteinflüsse wie konstanter Licht- oder Nahrungsmangel führen jedoch zur Bildung von Fruchtkörpern. Abbildung 1 stellt den Entwicklungszyklus eines Schleimpilzes dar. 

Schleimpilze erforschen

Das hier beschriebene Projekt umfasst zwei Lektionen für Schüler zwischen 16 und 19 Jahren. Der Entwurf der Einheit entstammt der wissenschaftlichen Methode und ist in drei Phasen unterteilt: die Einleitungsphase (theoretischer Hintergrund), die Arbeitsphase (Praxis), und die Auswertungs- und Präsentationsphase.  

Beginnen Sie damit, Ihren Schülern eine Physarum-Kultur zu zeigen. Die Schüler können den Schimmelpilz in kleinen Gruppen mit Lupen untersuchen, um seine Hauptmerkmale zu notieren. Sammeln Sie ihre Ergebnisse an der Tafel als ein Mindmap mit dem Zentrum Physarum polycephalum.

Sie können auch einen Film zeigen, zum Beispiel auf YouTube, der den Lebenszyklus des Schleimpilzes beschreibtw1. Da das Video die Bewegung der Zelle zeigt, die gerichtet scheint, können Sie die Schüler fragen, was sie denken, wie der Schimmelpilz sich orientieren könnte. Schreiben Sie die Frage und einige Antworten an die Tafel. 

Jedes Mal, wenn die Schüler eines der unten beschriebenen Experimente starten, sorgen Sie dafür, dass sie zuerst Hypothesen hinsichtlich der erwarteten Ergebnisse notieren. Die Schüler sollten zu jedem Experiment auf ihren Arbeitsblättern aufschreiben, was sie machen und welche Ergebnisse erhalten. Dies hilft der besseren Informationsspeicherung und hält sie weiterhin auf der Spur. Sammeln Sie am Ende der Einheit die Ergebnisse und diskutieren Sie sie in der Klasse. Letztlich beantworten Sie die Hypothesen, die die Schüler anfänglich vorschlugen. Da die meisten der oben beschriebenen Experimente etwas Zeit brauchen, werden die Auswertung und Präsentation in der zweiten Doppelstunde gemacht. 

 

Schleimbewegung

Die zu den hier beschriebenen Chemotaxis- und Fototaxisexperimenten erhaltenen Ergebnisse können auf dem Arbeitsblatt ‚Kriechender Schleim‘w2 aufgezeichnet werden.  

1 Chemotaxis

Mit freundlicher Genehmigung
der Autoren

Physarum finden Nahrung und meiden schädliche Bedingungen, indem sie sich als Antwort auf chemische Stimuli bewegen – ein als Chemotaxis bekannter Prozess. In dieser Unterrichtsstunde erforschen kleine Schülergruppen den Effekt von chemischen Lockstoffen und Repellentien. Eine Hälfte der Klasse untersucht den positiven Typ während die andere Hälfte den negativen untersucht.

Material:

  • Sterilisierte Haferflocken
  • Petrischalen mit Agar und kultivierten Physarum polycephalum
  • Destilliertes Wasser
  • Spiritusessig

Durchführung:

Platziert einen chemischen Stimulus 1,5 cm neben einem Plasmodium in einer Petrischale. Verwendet eine Haferflocke für die positive Chemotaxis; für die negative Chemotaxis, tropft etwas Essig auf die Flocke. Bedeckt die ganze Platte mit einem dünnen Film destilliertes Wasser und lagert sie für einige Zeit in einem dunklen Ort bei Raumtemperatur. 

Nehmt die Petrischalen nach einiger Zeit raus und messt den Abstand zwischen dem Schimmelpilz und der Haferflocke.

Darüber, was passiert

Das Plasmodium wird sich in Richtung des positiven Stimulus – die Haferflocke – bewegt haben. Dicke Kanäle werden innerhalb der Zelle sichtbar sein, die die frische Nahrung zu jedem Teil des Organismus transportieren. In dem anderen Experiment wird sich der Schimmelpilz mittlerweile von dem negativen Stimulus – die in Essig getränkte Haferflocke – wegbewegt haben. 

Die Ergebnisse des Experiments legen nahe, dass Physarum Chemorezeptoren besitzen müssen, da die Umgebung völlig dunkel war. Sie zeigen auch, dass der Schimmelpilz in der Lage ist, Konzentrationsunterschiede zu messen, weil er sich direkt zu der Nahrungsquelle bewegte: wenn mehr Rezeptoren auf einer Seite der Zelle aktiviert sind, weiß er, wo die Konzentration höher ist. Diese Rezeptoren induzieren in der Zelle eine Signalübertragungskette, was letztlich zur Migration der Zelle führt. 

Das Experiment kann zu einem Experiment der Wahl erweitert werden: die Schüler können die Haferflocken in verschiedene Substanzen tunken, sie zur gleichen Zeit und in gleichem Abstand Physarum vorlegen und beobachten, zu welcher Haferflocke der Schimmelpilz sich bewegt.

2 Fototaxis

Bewegung als Antwort auf Licht, genannt Fototaxis, wird von jungen und alten Schleimpilzen unterschiedlich genutzt. Dieses Experiment kann zeigen wie, und Gruppen können dann diskutieren warum.

Material:

  • Taschenlampe
  • Petrischale mit Agar und einem jungen (2-3 Tage alt) Physarum polycephalum
  • 1 Petrischale mit Agar und einem alten (1,5 Wochen alt) Physarum polycephalum

Durchführung: 

Richtet das Licht einer Taschenlampe auf die Kante eines jungen Physarum. Er wird sofort beginnen, sich von der beleuchteten Region zurückzuziehen. Wenn Physarum dann wieder ins Dunkle gestellt wird, wird es sich zurück zu seiner ursprünglichen Position bewegen. Wiederholt das Experiment mit einem alten Physarum – es wird sich zum Licht bewegen.  

Darüber, was passiert

Die fototaktische Reaktion wird positiv wenn das Plasmodium alt genug ist, um Fruchtkörper zu bilden (Esser, 1976). Das Plasmodium möchte seine Fruchtkörper in einer freien Stelle wachsen lassen, sodass sie den Wind erreichen können. Wo Licht ist, da sind für gewöhnlich keine großen Pflanzen oder Hindernisse, die die Verbreitung der Sporen hindern.

Das junge Physarum dagegen meidet Licht, weil Licht auch mehr Hitze bedeuten kann, was eine Bedrohung durch Dehydrierung darstellt.

 

Weitere Experimente

Nachdem die Prinzipien von Chemotaxis und Fototaxis erkundet wurden, sind weitere Experimente zur Erforschung der Eigenschaften von Schleimpilzen möglich.

Japanische Wissenschaftler begannen im Jahr 2000 die Intelligenz des Schimmelpilzes zu erforschen, als sie herausfanden, dass er in der Lage war, auf der Suche nach Nahrung ziemlich schnell den kürzesten Weg durch ein Labyrinth zu finden (Nakagaki et al., 2000). Einige Jahre später benutzen Wissenschaftler Physarum sogar als zentrale Kontrolleinheit für einen sechsbeinigen Schleimpilzroboter (Tsuda et al., 2007). Tero et al. (2010) szeigten, dass der Schimmelpilz sogar in der Lage war, ein effizientes Netzwerk zwischen Nahrungsquellen zu bilden. Sie ordneten 36 Nahrungsquellen um eine zentrale Quelle nach dem Muster der geographischen Positionen von Tokio und den umgebenden Städten an. Physarum baute ein Netzwerk auf, das fast identisch mit den Bahnlinien zwischen diesen Städten war.     

Das oben beschriebene Vernetzungsexperiment, in dem der Schimmelpilz ein Bahnnetzwerk oder etwas Ähnliches imitiert, eignet sich sehr als Transferexperiment für Klassen. Dafür kann man das zum Download verfügbare Arbeitsblatt namens „Intelligenter Schleim‘w3 benutzen. 

Man legt eine Haferflocke in die Mitte der Petrischale und lässt das Plasmodium die Flocke verschlingen. Dann ordnet man mehr Flocken in einem bestimmten Muster um den Schimmelpilz an. Diese Muster können spezielle Formen sein oder Ähnlichkeit mit den geographischen Positionen von umgebenden Städten haben.

Ein oder zwei Tage später wird Physarum die effizientesten Verbindungen zwischen all diesen Flocken gefunden haben, und die Schüler können sie mit einem Bahnnetz vergleichen. Der Prozess hinter diesem Phänomen ist ziemlich einfach. Verbindungen mit einem hohen Fluss von Cytoplasma werden stärker, wohingegen Verbindungen mit geringem Fluss immer schwächer werden bis sie schließlich verschwinden (Tero et al., 2010). ). Da es immer einen starken Fluss, oder Zyklose, zwischen zwei Nahrungsquellen gibt, werden diese Verbindungen automatisch verstärkt. 

Um den Schülern zu zeigen, wie der Schleimpilz das macht, führt unter Verwendung des herunterzuladenden Arbeitsblattesw4 ein Experiment zur Zyklose des Organismus durch.

Schüler könnten auch ein Labyrinth aus Karton auf einer Agarunterlage bauen und in ihm negative Stimuli (z.B. sterilisierte Haferflocken in Essigessenz getränkt) und einen positiven Stimulus am Ende platzieren. Nach einer Weile wird Physarum seinen Weg durch das Labyrinth finden. Da die zugrundeliegenden Prozesse jedoch alle automatisch sind, muss die Frage, ob diese Phänomene die Intelligenz des Schleimpilzes belegen, noch beantwortet werden.

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References

  • Esser K (1976) Kryptogamen. Berlin, Germany: Springer Verlag. ISBN: 9783540076384
  • Esser K (2000) Kryptogamen 1: Cyanobakterien, Algen, Pilze, Flechten. Berlin, Germany: Springer Verlag. ISBN: 9783540664512
  • Hoppe T, Kutschera U (2010) In the Shadow of Darwin: Anton de Bary’s Origin of Myxomycetology and Molecular Phylogeny of the Plasmodial Slime Molds. Theory in Biosciences 129(1): 15-23
  • Marwan W (2001) Photomovement and Photomorphogenesis in Physarum polycephalum: Targeting of Cytoskeleton and Gene Expression by Light. In Häder P, Lebert M (eds) Photomovement. Amsterdam, Netherlands: Elsevier. ISBN: 978-0444507068
  • Montag K (2008) Lichtscheue Mykophagen. Der Tintling 56(3): 12-38
  • Nakagaki T, Yamada H, Tóth Á (2000) Intelligence: Maze-solving by an Amoedoid Organism. Nature 407(6803): 470
  • Tero A, Takagi S, Saigusa T, Ito K, et al. (2010) Rules for Biologically Inspired Adaptive Network DesignScience 327(5964): 439-441
  • Tsuda S, Zauner KP, Gunji YP (2007) Robot Control with Biological CellsBiosystems 87(2-3): 215-223

Web References

  • w1 – Schauen Sie sich ein kurzes Video über Das Leben eines Schleimpilzes an.
  • w2 – Laden Sie ein Arbeitsblatt als Word-Datei oder PDF herunter, um Anzeichen von Chemotaxis und Fototaxis zu protokollieren.
  • w3 – Laden Sie ein Arbeitsblatt als Word-Datei oder PDF herunter, um zu protokollieren, wie der Schleimpilz Netzwerke gestalten kann.
  • w4 – Laden Sie ein Arbeitsblatt als Word-Datei oder PDF herunter, um Anzeichen von Zyklose zu protokollieren.

Author(s)

Dr Claas ist Oberstudienrat für Biologie und Sport an einer Sekundarschule und Dozent im Fachbereich für Biologiedidaktik an der Universität Bielefeld, Deutschland.

Friederike Strehlke schloss ihren Master in Erziehungswissenschaften und Englisch ab und arbeitet als Assistentin im Fachbereich für Biologiedidaktik an der Universität Bielefeld.

Phillip Weber schloss seinen Master in Biologie und Englisch ab und arbeitet als Assistent im Fachbereich für Biologiedidaktik an der Universität Bielefeld.


Review

Die in dem Artikel beschriebenen praktischen Übungen erlauben Schülern zu untersuchen, wie Schleimpilze sich anpassen, Licht zu nutzen, und wie sie sich ernähren.

Die Übungen könnten auch durch jüngere Schüler durchgeführt werden, um zu untersuchen, wie der Schleimpilz Nahrung findet. Ich würde die Experimente mit Schülern zwischen 16 und 19 Jahren durchführen, hauptsächlich als Einführung, wie Wissenschaft benutzt werden kann, um Probleme der modernen Zivilisation zu lösen. Schüler könnten überlegen, welche anderen Probleme sie lösen könnten, indem sie die hier beschriebenen einfachen Ideen benutzen. 

Ich kann mir vorstellen, dass der Schleimpilz in jeglicher Weise genutzt werden kann, um das Verständnis der Schüler zu erweitern – z.B. als eine Möglichkeit, zu zeigen, wie die Schleimpilze ein Labyrinth lösen können. Die praktischen Experimente sind einfach und günstig genug für Schüler, um ihre eigenen Experimente zu entwerfen, um ihre Fähigkeiten zur Problemlösung zu entwickeln.  


Mike Sands, Longcroft School, Vereinigtes Königreich




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CC-BY-NC-SA