Reiseinformationen - Partnersuche und Quanteneffekte im Wassertropfen


Partnersuche und Quanteneffekte im Wassertropfen

Der kleinste Wassertropfen kann vor Leben nur so wimmeln. Das weiß jeder, der als Kind einmal mit einem Mikroskop herumexperimentierte und zum Beispiel ein Probe aus einem Tümpel untersucht hat. Ähnliches lässt sich auch beim sogenannten Heuaufguss beobachten. Eindrucksvoll für jeden, der es einmal in Bewegung gesehen hat, ist das Pantoffeltierchen (Paramecium). Es gibt im Reich der Mikroorganismen echte „Berühmtheiten“.


Das Pantoffeltierchen ist nur ein einzelner Vertreter des auch sonst hochinteressanten Stamms der Wimperntierchen (Ciliaten). Ciliaten sind Einzeller, werden also schon den Tieren zugerechnet und zeigen Eigenschaften, die wir sonst eher von komplexeren Lebensformen kennen.

 

Bildquelle: Werner Schönherr


Geschlechtliche Fortpflanzung

Neben der ungeschlechtlichen Fortpflanzung durch einfache Zellteilung, findet sich bei den Ciliaten auch eine geschlechtliche Fortpflanzung. Bei der sogenannten Konjugation wird über eine Art Verbindungsschlauch, die sogenannte Plasmabrücke, genetisches Material zwischen zwei Ciliaten ausgetauscht. Dies ist jedoch nur möglich, wenn es sich um zwei verschiedene Paarungstypen handelt. So ähnlich wie eine genetische Verschmelzung nicht zwischen zwei Eizellen, sondern nur zwischen Spermium und Eizelle erfolgt. Die Paarungstypen der Wimperntierchen werden durch die Glykoproteine der Zelloberfläche defniert. Der Vorteil der sexuellen Fortpflanzung liegt vor allem in der größeren genetischen Vielfalt der Nachkommen, die sich daraus ergibt und zumindest einigen von ihnen Überlebensvorteile verschafft. Nun ist es aber so, dass „männliche“ und „weibliche“ Wimperntierchen sich nicht wahllos miteinander verbinden. Vielmehr kann beobachtet werden, dass die Einzeller hier durchaus unterschiedliche „Strategien“ verfolgen.


Heuristiken
Strategien, die auf Grundlage unvollständigen Wissens innerhalb kurzer Zeit möglichst gute Ergebnisse liefern sollen, werden als Heuristiken bezeichnet. Beispiel: Vorgehen nach dem Prinzip „Versuch und Irrtum“, was oft schon gute Näherungslösungen für ein Problem bringt. Mikroorganismen, die in Kolonien leben, wenden bei „Partnersuche“, Jagd und Verteidigung oft Strategien an, die man als Heuristiken begreifen kann. Durch Zell-Zell-Kontakte tauschen die Organismen zahllose Signale miteinander aus. Ein Teil der Abläufe ist genetisch vorbestimmt, ein anderer Teil ist Resultat von Lernprozessen. Auch Einzeller können lernen. Sie meiden Verhältnisse, die ihnen früher geschadet haben und suchen Bedingungen, die sich als vorteilhaft erwiesen haben.


Strategische Partnerwahl
Interessanterweise können Wimperntierchen in fortgeschrittenen Lebensphasen durchaus „monogame Beziehungen“ eingehen und Zeit ihres Lebens nebeneinander herschwimmen. Dies steht jedoch erst am Ende komplexer Prozesse. Der Konjugation, die Biologen sprechen auch von „sex-like behavior“, geht zunächst die Ausschüttung von Pheromonen voraus. Damit werden beim Gegenüber bestimmte Bewegungsmuster und ein bestimmtes Kontaktverhalten ausgelöst. Dies kann man mit dem Balzverhalten von Wirbeltieren vergleichen.
Sofern der gezeigte Balztanz und die Art der Interaktion sowie die Dominanz über konkurrierende Wimperntierchen auf einen „idealen Partner“ schließen lässt, lässt das andere Wimperntierchen eine Konjugation zu. Hierbei geht es besonders um die beiden Eigenschaften „Überlebensfähigkeit“ und „Fortpflanzungsfähigkeit“. Da sich diese Qualitäten nicht direkt bestimmen lassen, ist eine gute Performance beim Balzverhalten lediglich ein indirekter Maßstab für die genetische Fitness. Das Gleiche gilt bei den höheren Tieren. Interessant ist es jedoch, dass dieses Prinzip sich bereits schon auf der Stufe der Einzeller findet. Bemerkenswerterweise wird wie bei den höheren Lebensformen auch bei den Wimperntierchen gelegentlich etwas geschummelt. Kontaktsignale und Balztanz lassen einige der Einzeller attraktiver erscheinen als es aufgrund der tatsächlich vorhandenen biologischen Fitness gerechtfertigt wäre. Andere zeigen sich zunächst überdurchschnittlich offen für eine Kontaktaufnahme („playing easier to get“), nur um dann später besonders strikt zu selektieren („playing harder to get“). Eine raffinierte Technik. Biologen gehen davon aus, dass die unterschiedlichen „Täuschungen“ aufs Ganze gesehen Sinn machen, da sich die genetische Ausstattung der Art langfristig verschlechtern würde, wenn der Austausch immer nur auf die wenigen Einzeller mit nahezu perfekten Eigenschaften beschränkt bliebe.


Hebbsche Lernregel

Die Wimperntierchen folgen keinem unabänderlichen Programm, sondern sind erstaunlich lernfähig. Sie können zwischen „selbstlosem“ und „egoistischem“ Verhalten hin und her wechseln. Je nachdem wie es die Situation innerhalb der „Ciliaten-Community“ erfordert.
Ihr Verhalten gehorcht in weiten Teilen der Hebbschen Lernregel. Der Psychologe Donald Olding Hebb formulierte bezogen auf Nervenzellen das Prinzip „what fires together, wires together“.
Nervenzellen, die häufig gleichzeitig Signale aussenden, haben einen größeren Einfluss aufeinander als Nervenzellen zwischen denen Funkstille herrscht. Man spricht von „Bahnung". Bezogen auf die Einzeller gilt: Je interaktiver das einzelne Wimperntierchen ist, desto größer ist sein Einfluss auf die Nachbarn.


Netzwerke
So kann man sich den Wassertropfen aus dem Teich letztlich als großes Netwerk von Wimperntierchen vorstellen, die alle mehr oder weniger miteinander interagieren. Unter den Naturwissenschaften ist vor allem die Physik geeignet, um Wechselwirkungen einzelner Teilchen zu beschreiben, bezogen auf das große Ganze. Hierfür wurden mathematische Methoden entwickelt, zum Beispiel die Bolzmann- oder die Einstein-Bose- Statistik, die man nicht nur auf Anziehung und Abstoßung von Partikeln anwenden kann, sondern auch nutzt, um Gemeinschaften von Lebewesen besser zu verstehen.
 

Bildquelle: Werner Schönherr


Quanteneffekte
In der Summe werden die einzelnen Akteure des Wimperntierchen-Netzwerks immer bestrebt sein, Lösungsstrategien (Heuristiken) zu nutzen, die mit dem geringsten Energieaufwand ein möglichst gutes Ergebniss erzielen. Dies bedeutet, dass auch das Gesamtsystem sehr sparsam und effizient mit der zur Verfügung stehenden Energie umgeht. Die Unordnung im System, auch Entropie genannt, wird so durch Effizienzmaximierung des Einzelnen möglichst gering gehalten.


Fazit

Wimperntierchen sind soziale Lebensformen. Ihre komplexe Wechselwirkungen in sozialen Netzwerken lassen sich gut mit den Methoden der Theoretischen Physik beschreiben. Daraus folgt ein besseres Verständnis der Einzeller. Aber auch Rückschlüsse auf höhere Lebensformen sind möglich.


Literatur


Links

 

MG, 20.12.2013



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