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Muster in der Mikrobenwelt

Kolonien von Bakterien und sozialen Amöben formieren sich zu eindrucksvollen Mustern, die an komplexe Gebilde der unbelebten Natur erinnern.


Im Laufe der vergangenen Jahrzehnte haben die Physiker allmählich verstanden, wie sich die Gestalt einer Schneeflocke oder einer Flamme herausbildet, als Beispiele für Musterbildung in der unbelebten Natur. Betrachten wir einmal das Wachstum einer Eisblume – die meist eher die Gestalt eines Farnblatts hat – an einem kalten Fenster. Wassermoleküle auf der Glasscheibe kollidieren bei ihrem zufallsbestimmten Zickzackkurs gelegentlich mit dem eisigen Gebilde und bleiben haften. Da sie mit einer höheren Wahrscheinlichkeit auf die herausragenden Konturen der Farnstruktur treffen und sich dort festsetzen, wachsen die Spitzen gewöhnlich stärker als andere Bereiche und bilden eine Reihe von Ästchen aus. Die Wahrscheinlichkeit, daß sich ein Wassermolekül an einer bestimmten Stelle festsetzt, wird zudem durch die Orientierung bereits vorhandener Eismoleküle beeinflußt. Alles in allem wächst so von selbst eine komplizierte kristalline Struktur heran.

Das Verblüffende ist, daß auch Mikroorganismen in ihren Kolonien unter Umständen Muster ausbilden, die denen der unbelebten Welt nicht selten zum Verwechseln ähnlich sehen. Die Kolonien freilich können noch komplexere Formen annehmen – weil Leben als Würze mit im Spiel ist. Überlebensfördernde Mustertypen haben dabei zweifellos den Vorzug.

Ein optisch eindrucksvolles Beispiel bietet Bacillus subtilis, der sogenannte Heubazillus; wie Mitsugu Matsushita von der Chou-Universität in Tokio und seine Mitarbeiter Ende der achtziger Jahre zeigten, bilden die Kolonien Verzweigungsmuster aus, wenn man sie auf nährstoffarmem, ziemlich festem Agar kultiviert. (Dieser wird aus Meeresalgen gewonnen und ähnelt äußerlich Gelatine.) Ihr Wachstum folgt dann weitgehend dem Eisblumen-Prinzip.

Man stelle sich dazu den Extremfall eines so harten Agars vor, daß die im Prinzip bewegungsfähigen Bakterien sich nicht von der Stelle rühren können. Die Nährstoffmoleküle wandern jedoch frei durch das Gel und treffen bei ihrer Brownschen Taumelbewegung mit höherer Wahrscheinlichkeit auf jene Bakterien, die ein wenig über den Rand der Kolonie hinausragen. Die besser versorgten Organismen wachsen und teilen sich, sobald sie doppelte Ausgangslänge erreicht haben. So verlängert sich die kleine Ausbeulung allmählich zu einem Ausläufer. Im Normalfall bewegen sich zudem die einzelnen Zellen aktiv auf Regionen höherer Nährstoffkonzentration zu: Sie streben ein Stück über die Spitze des Ausläufers hinaus und treiben dadurch sein Wachstum weiter voran (Bild 2).

Durch diese Beobachtung angeregt, versuchte einer von uns (Ben-Jacob), Grenzsituationen aufzuspüren, in denen sich das Besondere dieser Strukturen, nämlich ihr Aufbau aus lebenden Einheiten, in der Gestalt offenbaren würde. Als er die Bakterien auf weicherem Agar zog, gingen die altbekannten Verzweigungsmuster spontan in eine Lockenstruktur über, die viel schneller wächst (Bilder 1 und 2). Sobald die Spitzen der Kolonieausläufer sich zu krümmen begannen, zeigten sich darin auch unter dem Mikroskop Veränderungen: Die einzelnen Bakterien waren nun deutlich länger. Offensichtlich hilft dies den Organismen, schneller voranzukommen und somit größere Gebiete nach Nahrung zu durchforsten. Wodurch der Übergang ausgelöst wird, weiß allerdings noch niemand.

Mikroben nehmen ihre Umwelt nicht nur wahr, sie verändern sie auch und beeinflussen sich wechselseitig (Bilder 3 bis 5). Das Darmbakterium Escherichia coli kann zum Beispiel einen chemischen Lockstoff ausscheiden, der zur Aggregation führt.

Letzters tun auch sogenannte soziale Amöben. Sie sind komplexere einzellige Lebewesen als Bakterien – mit einem Zellkern und Organellen. Ihre ausgeklügelten kollektiven Verhaltensweisen haben ihnen auch den Namen zelluläre Schleimpilze eingetragen (siehe Spektrum der Wissenschaft, Juni 1983, Seite 110).

Eine dieser sozialen Amöbenarten, Dictyostelium discoideum, ist zum Lieblingsobjekt jener Entwicklungsbiologen avanciert, die der Frage nachgehen, wie sich autonome Zellen zu einem vielzel-ligen Organismus zusammenschließen. Auf einem völlig nährstoff-freien Untergrund verteilt, beginnen die Amöben nach etwa vier Stunden ein chemisches Signal auszuschütten – vielleicht eine Art Alarmstoff. Über spezifische Antennenmoleküle empfängt jede Zelle die von ihren Leidensgenossen abgesonderte Substanz, cAMP (zyklisches Adenosin-monophosphat), und beginnt daraufhin mehr davon auszuschütten. Im Endeffekt wandern cAMP-Pulse in Spiralwellen durch das System (Bild 6 rechts).

Schließlich machen sich die Amöben zum Zentrum der Spirale auf, in deren Einzugsgebiet sie sich befinden. Unterwegs treffen sich die wachsenden Zellaggregate und schließen sich – wie Flüsse auf dem Weg zum Meer – zu größeren Strukturen zusammen (Bild 6 links). Einer von uns (Levine) hat gemeinsam mit David A. Kessler von der Bar-Ilan-Universität in Israel gezeigt, daß diese Ströme aufgrund einfacher physikalischer Gesetzmäßigkeiten entstehen können: Eine spezielle genetische Ausstattung ist dazu nicht vonnöten. Die sich zusammenscharenden Einzelzellen bilden Hügel und schließlich pilzähnliche Fruchtkörper, in denen Zehntausende von Sporen darauf warten, in eine weniger karge Umwelt davongetragen zu werden.

Zur Aufklärung der Frage, wie externe Signale die Bewegung von Mikroorganismen steuern, bedienen sich Biologen zur Zeit vor allem biochemischer und genetischer Methoden. Sie versuchen damit, die "mikroskopischen" Spielregeln des Geschehens aufzudecken. Physiker aber haben inzwischen erkannt, daß der weitere Schritt – herauszufinden, wie ein solcher Regelsatz in makroskopische Muster umgesetzt wird – eine nicht minder hohe Herausforderung ist. Beide Probleme werden Forscher mit Sicherheit noch lange fesseln.

Literaturhinweis

Muster des Lebendigen. Faszination ihrer Entstehung und Simulation. Herausgegeben von Andreas Deutsch. Vieweg Facetten, 1994.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 1998, Seite 56
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
12 / 1998

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 12 / 1998

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