12. Gravitaxis: Flagellaten und Ciliaten

Viele eukaryotische Einzeller, wie z.B. bewegliche Algen oder einzellige Ciliaten, orientieren sich am Licht und an der Schwerkraft, um eine Nische in ihrer Umwelt zu suchen, in der Wachstum und Vermehrung optimal sind. Beide Reize wirken gleichzeitig und hierarchisch: Wenn man Euglena in einer vertikalen Zelle im Dunkeln (Infrarot) beobachtet, zeigt sich eine präzise Bewegung nach oben (Abb. 12.1). Wenn von oben Licht mit steigenden Intensitäten eingestrahlt wird, beobachtet man einen Kompensationspunkt bei 30 W m^-2, bei dem sich negative Gravitaxis und negative Phototaxis die Waage halten. Bei weiter steigenden Intensitäten schwimmen die Zellen ausschließlich nach unten. Genauso wie die Schwerkraft den Phototropismus bei höheren Pflanzen überlagert (s. Einheit 3 Phototropismus), überlagern sich Phototaxis und Gravitaxis. Das wurde bei einem Raumfahrtexperiment untersucht, bei dem unter Schwerelosigkeit die Phototaxis untersucht wurde. Während der Umschlagpunkt von positiver zu negativer Phototaxis bei Schwerelosigkeit und unter 1 g gleich war, war die Präzision der positiven Gravitaxis unter Schwerelosigkeit deutlich besser (Abb. 12.2).

Während der Photorezeptor bei einigen Flagellaten weitgehend aufgeklärt ist (s. Einheit 11 Phototaxis), war der Schwerkraftrezeptor lange Zeit ein Rätsel. Das Vestibularorgan von Menschen und anderen höheren Wirbeltieren ist höchst kompliziert gebaut und arbeitet mit sehr viel "Neurophysiologie". Wie kann dann ein Einzeller so präzise die Richtung des Schwerevektors der Erde erkennen?

12.1 Aktive Reizperzeption oder passive Ausrichtung im Schwerefeld?

Obwohl das Phänomen der Gravitaxis (Orientierung frei beweglicher Organismen im Schwerefeld) schon seit über 100 Jahren beobachtet wurde (Schwarz 1884), konnte bis vor kurzem keine der sehr unterschiedlichen Hypothesen zu ihrer Erklärung bewiesen oder entkräftet werden. Einige Forscher vermuteten, daß die Organismen nur rein passiv durch eine Asymmetrie des Schwerpunktes ausgerichtet werden (Brinkmann, 1968): Wenn das Hinterende schwerer ist als das Vorderende, würde sich eine Flagellatenzelle in der Wassersäule wie eine Boje ausrichten, und die am Vorderende der Zelle inserierte Geißel bringt sie automatisch nach oben (negative Gravitaxis). Die Alternativhypothese ist, daß die Zellen über einen physiologischen Rezeptor verfügen, der die Richtung des Schwerefeldes wahrnimmt und durch eine physiologische Signaltransduktion eine gerichteten Kurskorrekur mit Hilfe eines modifizierten Geißelschlages auslöst (Abb. 12.3).

Der erste Hinweis, daß die Zellen des Flagellaten Euglena gracilis nicht rein passiv ausgerichtet werden, war die Beobachtung, daß junge Zellen positiv gravitaktisch sind, also nach unten schwimmen, während ältere Kulturen eine negative Gravitaxis zeigen. Dabei sind zumindest lichtmikroskopisch keine morphologischen Unterschiede zwischen den verschiedenen Altersstadien zu erkennen, die auf eine Änderung des Schwerezentrums hindeuten könnten. Wenn man junge, positiv gravitaktische Zellen mit mikromolaren Konzentrationen von Schwermetallen behandelt, schalten sie auf eine negative Gravitaxis um (Abb. 12.4). Dieses Experiment funktioniert mit Cadmium, Quecksilber, Eisen, Blei und anderen Schwermetallsalzen (Häder and Stallwitz, 1994). Der zweite Hinweis war, daß eine Bestrahlung von Zellen mit kurzwelliger, ultravioletter Strahlung zu einem raschen Verlust der Orientierung führte, während die Beweglichkeit nicht beeinträchtigt war (Liu et al., 1990; Abb. 12.5). Eine ähnliche Beobachtung konnte bei der Phototaxis (Orientierung der Zellen an der Lichtrichtung) gemacht werden (s. Einheit 11 Phototaxis Flagellaten).

12.2 Algen im Weltraum

Erst mit Hilfe der Raumfahrttechnologie konnte überhaupt zweifelsfrei nachgewiesen werden, daß die Schwerkraft der Erde und nicht etwa das Magnetfeld der Erde oder chemische oder thermische Gradienten für die präzise Orientierung verantwortlich ist (Häder et al., 1990). Bei einem TEXUS-Flug auf einer ballistischen Rakete schwammen die Zellen des Flagellaten Euglena gracilis völlig ungeordnet, während sie vor und nach dem Flug äußerst präzise negativ gravitaktisch ausgerichtet waren (Abb. 12.6). Dazu wurde ein Modul entwickelt, das eine Schwimmküvette, ein modifiziertes Mikroskop und eine Videokamera beinhaltet (Abb. 12.7). Unter Erdbedingungen kann man simulierte Schwerkraft erzeugen: Dabei werden die Zellen konzentrisch auf einem schnell drehenden Klinostaten gedreht, so daß die Schwerkraft umlaufend einwirkt. Dabei beobachtet man ebenfalls ein ungeordnetes Schwimmen (Abb. 12.8). Allerdings erkennen die Zellen die simulierte Schwerelosigkeit und reagieren mit häufigen, spontanen Richtungswechseln.

Bei Experimenten auf dem amerikanischen Shuttle Columbia wurde der Schwellenwert der Gravitaxis (Orientierung an der Schwerkraft) untersucht (Häder et al., 1995, 1996). Dazu wurden die Zellen in Küvetten gehalten, in denen sie durch LEDs beleuchtet werden konnten (Abb. 12.9). Die Zellen wurden entweder unter Schwerelosigkeit oder auf einer 1 g Referenzzentrifuge gehalten. Für das eigentliche Experiment wurden die Küvetten in das NIZEMI (= Niedertouren- Zentrifugenmikroskop) eingesetzt und dort künstlich zwischen 0 und 1,5 x g beschleunigt. Gleichzeitig wurden die Schwimmbahnen der Zellen mit einer Videokamera verfolgt und entweder auf Band aufgenommen oder per Video-Downlink zur Bodenstation in Huntsville (Alabama) übertragen. Die Auswertung der Bahnen erfolgte mit der Echtzeit-Bildverarbeitungsanlage, die für diesen Zweck entwickelt worden ist. Dabei zeigte sich, daß sich die Zellen bereits bei einem Sechstel der Erdschwerkraft orientieren (Abb. 12.10). Erich von Däniken würde vermutlich spekulieren, daß dieses Verhalten darauf deutet, daß die Organismen von einem anderen Planeten mit geringerer Schwerkraft stammen; wahrscheinlicher ist jedoch, daß dieser Sicherheitsfaktor die Orientierung bei 1 x g sicherstellt. Dieser Schwellenwert wurde bei allen Experimenten gefunden, unabhängig davon, ob die Zellen einen oder mehrere Tage unter Schwerelosigkeit gehalten worden waren oder ob sie bis zum Experiment auf einer 1 g Referenzzentrifuge gehalten wurden. Es war auch gleichgültig, ob die Zellen steigenden Beschleunigungsprofilen von 0 bis 1,5 x g ausgesetzt wurden oder fallenden Beschleunigungen (1,5 x g bis 0 x g).

Umgekehrt lassen sich Zentrifugen auch benutzen, um die Beschleunigung zu erhöhen. In einem terrestrischen Modul des NIZEMI (Abb. 12.11) wurden die Zellen bis zu 10 g beschleunigt (Abb. 12.12). Dabei addieren sich die natürliche Schwerkraft und die Zentrifugalkraft vektoriell. Mit zunehmender Beschleunigung wurden die Zellen immer langsamer und wurden schließlich nach unten abzentrifugiert, obwohl sie mit der Spitze nach oben ausgerichtet blieben (Abb. 12.13). Die Präzision der Orientierung steigt bis ca. 3 g leicht an und bleibt dann konstant, bis die Zellen anfangen, nach unten zentrifugiert zu werden (Abb. 12.14). Plottet man die Schwimmgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Beschleunigung, erhält man eine lineare Beziehung, die zeigt, daß die Zellen nicht mehr gegen eine Beschleunigung anschwimmen können, die etwas oberhalb von 10 g liegt (Abb. 12.15), was gut mit den oben beschriebenen Ergebnissen übereinstimmt.

Alle diese Versuche erklären aber nicht den Mechanismus der Schwerkraftperzeption. Höhere Pflanzen benutzen für diese Aufgabe schwere, sedimentierende Partikel in der Zelle, Stärkekörner, die als Statolithen auf die Membranen des endosplasmatischen Retikulums in der Zelle drücken (Volkmann and Tewinkel, 1996; s. Einheit 5 Gravitropismus). Die Reaktion der Pflanzen auf Änderungen des Schwerevektors ist jedoch ein relativ langsamer Prozeß, und es erscheint eher unwahrscheinlich, daß ein solcher Mechanismus bei schnell schwimmenden Flagellaten funktionieren könnte; erschwerend kommt hinzu, daß die Zellen bei ihrer Vorwärtsbewegung mit ca. 1 Hz um ihre Längsachse rotieren. Alternativ könnte der gesamte Zellkörper, der schwerer ist als das umgebende Medium, als Statolith wirken und auf die jeweils unten liegende Membran drücken.

12.3 Molekulare Schwerkraftsensoren

Es gibt einen einfachen Test, um zwischen diesen beiden Hypothese zu unterscheiden. Dazu erhöht man die Dichte des umgebenden Mediums. Wenn man die Zellen in einem hochpolymeren Material wie z.B. Ficoll suspendiert (Abb. 12.16), wird die Gravitaxis unterdrückt, sobald eine Dichte von etwa 1,04 g/ml erreicht wird (Abb. 12.17). Bei noch höherer Dichte schwimmen die Zellen sogar in die umgekehrte Richtung (Lebert and Häder, 1996). Intrazellulär sedimentierende Partikel können durch die extrazelluläre Erhöhung der Dichte nicht beeinflußt werden, so daß die Statolithen-Hypothese für die Gravitaxis von Euglena als falsch entlarvt werden konnte. Natürlich wird die Viskosität des Mediums durch die Zugabe von Ficoll beeinflußt. Daß dieser Faktor jedoch nicht für die Hemmwirkung verantwortlich ist, zeigen Versuche mit Methylcellulose, die die Viskosität noch bei weitem mehr erhöhen, ohne jedoch die Gravitaxis zu hemmen, solange die Zellen noch (wenn auch sehr langsam) schwimmen können.

Tatsächlich kann man durch Dichtegradientenzentrifugation nachweisen, daß der Zellkörper eine Dichte von etwa 1,05 g/ml aufweist (Abb. 12.18). Zellen, die auf Grund von Hungerzuständen eine geringere Dichte aufweisen als 1,03 g/ml, zeigen keine Gravitaxis, obwohl die Beweglichkeit nicht beeinträchtigt ist.

Wie sieht nun der molekulare Rezeptor aus, der den Druck des schwereren Zellkörpers mißt? Viele Tiere und auch wir Menschen verwenden molekulare mechanosensitive Membrankanäle, sogenannte "stretch-activated channel", die sich unter mechanischem Zug oder Druck öffnen oder schließen können. Im geöffneten Zustand fließen selektiv bestimmte Ionen durch die Membran. Damit ändert sich das elektrische Potential der Zelle, was bei vielen Zellen als Signal für Bewegungsänderungen dient. Tatsächlich läßt sich die Gravitaxis bei Euglena durch Gadolinium hemmen (Abb. 12.19), einem spezifischen Hemmstoff solcher mechanosensitiver Kanäle (Hamill and McBride 1996). Ionenkanäle operieren passiv, d.h. sie lassen Ionen entlang eines vorher etablierten Gradienten fließen. Diese Ionengradienten werden durch aktive, energieverbrauchende Pumpen erzeugt. Wenn man die cytoplasmatische, Ca-abhängige ATPase durch Vanadat blockiert, hemmt man den auswärts gerichteten Transport von Ca²⁺ aus der Zelle. Dadurch wird die Gravitaxis unterdrückt (Abb. 12.20), was darauf hindeutet, daß die mechanosensitiven Ionenkanäle bei Öffnung einen passiven, einwärts gerichteten Calciumstrom ermöglichen. Ebenso wird die gravitaktische Orientierung gehemmt, wenn man einen Bypass für die Membrankanäle legt, indem man künstliche Poren für die Ca²⁺ Ionen (z.B. Calcimycin, das selektiv Ca²⁺ Ionen durch die Membran schleust) in die Membran einbaut (Abb. 12.21).

Der gesteuerte Einstrom von positiv geladenen Ionen führt natürlich zu einer Änderung des Membranpotentials. Wie jede eukaryotische Zelle besitzen die Euglenen ein negatives Potential in ihrem Zellkörper gegenüber außen gemessen. Dieses negative Potential wird durch den Einstrom von Kationen verringert. Man kann das Membranpotential der Zelle auch künstlich stören, indem man lipophile Kationen (z.B. Triphenylmethylphosphonium⁺) durch die Membran wandern läßt, die die negativen Ladungen im Innere der Zelle kompensieren. Auch diese Behandlung führt zu einer Unterdrückung der Gravitaxis (Abb. 12.22). Alle diese Experimente deuten darauf hin, daß mechanosensitive Kanäle für die Orientierung der Flagellaten im Schwerefeld verantwortlich sind und daß die aktive Reorientierung durch eine Modulation des elektrischen Potentials ausgelöst wird.

12.4 Das Model für die gravitaktische Reaktion

Aus theoretischen Überlegungen können die Kanäle nicht gleichmäßig auf der Zelloberfläche verteilt sein, denn dann würden immer irgendwelche Kanäle gereizt werden, egal wie die Zelle ausgerichtet ist (Lebert et al., 1997). Eine Modellvorstellung zeigt das erwartete Ergebnis bei einer Zahl von möglichen Anordungen (Abb. 12.23). Dieses einfache Modell nimmt also an, daß sich die Kanäle bevorzugt am Vorderende der Zelle unter der Geißel befinden. Bei der Vorwärtsbewegung rotiert die Zelle mit 1 bis 2 Hz um ihre Längsachse; dabei beschreibt das Vorderende eine konische Bahn, und die Geißel ist immer nach außen gerichtet. Schwimmt eine Zelle seitwärts oder abwärts, werden die Kanäle durch Druck immer dann aktiviert, wenn die Geißel (und damit die Kanäle) nach unten zeigen (Abb. 12.24). Diese Anordnung führt also zu einer Modulation des Signals: wenn die Zelle horizontal schwimmt, erfährt sie einen pulsierenden Ioneneinstrom. Bei jeder Verringerung des Membranpotentials, also wenn die Kanäle nach unten zeigen, wird die Geißel von der Zelle weg ausgelenkt, und diese Kurskorrektur dreht das Vorderende der Zelle schrittweise nach oben. Wenn die Zelle vertikal nach oben schwimmt, werden die Kanäle nicht aktiviert, und damit wird eine stabile Schwimmrichtung nach oben gewährleistet.

Die Reorientierung der Zellen erfolgt während weniger Rotationen. In einem Versuch wurden die Zellen in einer vertikalen Küvette gehalten, bis die Zellen eine optimale Orientierung zeigten. Danach wurde die Küvette um 90 oder 180° gedreht, so daß die Zellen dann horizontal oder nach unten ausgerichtet waren. Anschließend wurden die Bewegungsbahnen im Sekundenabstand verfolgt (Abb. 12.25). Dabei zeigte sich, daß die Zellen eine gewisse Zeit brauchten, bevor sie begannen sich zu orientieren. Die eigentliche Kurskorrektur erfolgte dann innerhalb weniger Sekunden.

12.5 Aquarack

In Vorbereitung von Versuchen auf der Internationalen Raumstation ISS wurde ein Fermenter entwickelt, in dem die Zellen über mehr als 600 Tage im geschlossenen System gehalten werden konnten (Abb. 12.26). Die Zellen wuchsen in autoclaviertem Leitungswasser sehr langsam. Mit Hilfe einer Peristaltikpumpe wurden in regelmäßigen Abständen Proben durch eine Küvette gepumpt, in der die Motilität, die gravitaktische Orientierung mit Hilfe der Bildverarbeitung sowie die Pigmentierung mit einem Spektralphotometer untersucht wurden. Abbildung 12.27 zeigt die Zelldichte der Euglenakultur im Fermenter während der Experimentdauer und Abbildung 12.28 die Motilität und die Schwimmgeschwindigkeit als Funktion des Kulturalters. Über die Kulturdauer fiel die Präzision der Gravitaxis kontinuierlich, bis die Zellen am Ende keine Gravitaxis mehr zeigten (Abb. 12.29). Gleichzeitig wurden in einem anderen Kreislauf die Sauerstoffkonzentration, der pH, der Nitratgehalt sowie die Temperatur gemessen. Das botanische Kompartment wurde zeitweilig mit einem zoologischen Aquarack (mit Schnecken und Schwertträgern) gekoppelt, wobei ein Austausch an Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoffverbindungen durch eine Cellulosemembran möglich war (Abb. 12.30).

12.6 Gravitaxis bei Ciliaten

Auch einige Ciliaten wie das Pantoffeltierchen Paramecium scheinen einen ähnlichen Mechanismus wie Euglena für ihre (negative) Gravitaxis zu benutzen (Abb. 12.31). Die Zellen zeigen auch bei simulierter Schwerelosigkeit auf dem Klinostaten eine Zufallsbewegung (Abb. 12.32). Die Präzision der Orientierung ist bei diesen Zellen von der Sauerstoffkonzentration abhängig (Hemmersbach-Krause et al., 1991): Bei hohen Sauerstoffkonzentrationen schwimmen die Zellen unorientiert (Abb. 12.33), und auch die Schwimmgeschwindigkeit ist gering. Bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen zeigen die Zellen hingegen eine präzise negative Gravitaxis und eine hohe Schwimmgeschwindigkeit (Abb. 12.34). Bei Erhöhung der Beschleunigung (NIZEMI) konnte eine deutliche Steigerung der Präzision der Orientierung induziert werden (Abb. 12.35).

Auch bei diesen Zellen konnte eine Hemmung der Gravitaxis in dichteren Medien beobachtet werden (Machemer and Bräucker, 1992). Im Gegensatz dazu benutzt ein anderer Ciliat, Loxodes, echte intrazelluläre Statolithen. Die Zelle produziert mehrere (vier bis fünf) sogenannte Müllersche Organellen: In Vakuolen inserieren kurze, nach innen gerichtete Cilien, die an ihrer Spitze schwere Bariumsulfatkörperchen tragen (Abb. 12.36). Durch Lageveränderungen der Zellen im Raum lenken die schweren Statolithen die Cilien aus, was von der Zelle registriert und mit einer gravitaktischen Reaktion beantwortet wird. Daß diese Hypothese stimmt, konnte mit einem eleganten Experiment bewiesen werden (Hemmersbach et al., 1997): wenn man mit gezielten Laserschüssen die Cilien durchtrennte, verloren die Zellen ihre gravitaktische Orientierung; Kontrolltiere, die mit einer gleichen Zahl von Laserschüssen in das Cytoplasma behandelt wurden, waren hingegen in ihrer Gravitaxis nicht gehemmt. Diese Zellen zeigen im Gegensatz zu Paramecium eine positive Gravitaxis (Abb. 12.37), die ebenfalls von der Sauerstoffkonzentration abhängig ist.

12.7 Gravikinese

Wenn eine Zelle, die schwerer ist als das umgebende Medium, nach oben schwimmt, reduziert sich die Aufwärtsbewegung um die Sedimentationsgeschwindigkeit. Umgekehrt addiert sich die Sedimentationsgeschwindigkeit zu der Abwärtsgeschwindigkeit (Abb. 12.38). Messungen unter 1 g und µg haben diese Hypothese für Euglena gracilis bestätigt (Abb. 12.39). Im Gegensatz dazu schwimmen Ciliaten nach oben schneller und nach unten langsamer als man es auf Grund der Sedimentationsgeschwindigkeit erwarten würde. Die Sedimentationsgeschwindigkeit kann man entweder an unbeweglich gemachten Zellen (Kälte oder Nickelbehandlung) direkt messen oder mit Hilfe des Stokeschen Gesetzes berechnen:

Dabei ist a der Durchmesser der als rund angenommenen Zelle, Dr der Dichteunterschied zwischen Zelle und Medium und µ die Viskosität des Mediums. Dieses Phänomen wird als Gravikinese bezeichnet (Machemer et al., 1991). [Dieser Terminus ist nicht ganz richtig gewählt, da die Schwimmgeschwindigkeit von einer Richtungskomponente bestimmt wird, was für die Photokinese z.B. nicht zutrifft; diese ist unabhängig von der Reizrichtung.]

Literatur

Brinkmann, K.: Keine Geotaxis bei Euglena. Z. Pflanzenphysiol. 59, 12-16 (1968).