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Carolin Hoffrogge
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Ganz schön schlau

Forscher aus Göttingen und den USA finden Grundlage für komplexes Verhalten im Schleimpilz

3. Mai 2017

Ein Team um Dr. Karen Alim, Leiterin der Forschungsgruppe Biologische Physik und Morphogenese am Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation hat gemeinsam mit amerikanischen Kollegen aus Harvard und Madison den Mechanismus des komplexen Verhaltens im Schleimpilz (Physarum polycephalum) ergründet und in der aktuellen Ausgabe von PNAS veröffentlicht. Ihre Erkenntnis: Trotz fehlendem Nervensystem ermöglicht ein einfaches Feedback dem Schleimpilz den kürzesten Weg durch ein Labyrinth zu finden. Dazu verschickt der Schleimpilz Informationen mit der Strömung in seinem Adernetzwerk und verstärkt diese Strömung dabei. Dieser Vorgang beschleunigt einerseits den Informationsfluss selbst, andererseits fördert er das Wachstum der Adern und zwar genau derer, die den kürzesten Weg zwischen den Signalen spannen. Die Forscher klären somit das Mystische hinter dem `schlauen´ Schleimpilz auf. Sie hoffen, dass das in der Natur entdeckte Feedback-Prinzip zukünftig helfen kann, künstliche Systeme mit selbstorganisierter Anpassung zu entwickeln.

Ohne Nervensystem trotzdem schlau

Ein kleiner Nahrungsreiz auf dem netzwerkförmigen Körper des Schleimpilzes <em>Physarum polycephalum</em>. Obwohl <em>P. polycephalum</em> kein Gehirn besitzt, löst er komplexe Probleme. Alim et al. nutzen die Reaktion des Netzwerkes auf einen Nahrungsreiz um ein mathematisches Model zu entwickeln, welches zusammen mit den experimentellen Beobachtungen den einfachen Mechanismus hinter dem komplexen Verhalten des Organismus erklärt. Bild vergrößern
Ein kleiner Nahrungsreiz auf dem netzwerkförmigen Körper des Schleimpilzes Physarum polycephalum. Obwohl P. polycephalum kein Gehirn besitzt, löst er komplexe Probleme. Alim et al. nutzen die Reaktion des Netzwerkes auf einen Nahrungsreiz um ein mathematisches Model zu entwickeln, welches zusammen mit den experimentellen Beobachtungen den einfachen Mechanismus hinter dem komplexen Verhalten des Organismus erklärt. [weniger]

Komplexe Verhaltensweisen werden üblicherweise mit Tieren assoziiert. Aber auch sehr einfache Organismen wie Schleimpilze und Pilze sind in der Lage, Informationen zu verarbeiten und Organismus übergreifende Entscheidungen zu treffen. So löst der Schleimpilz komplexe Aufgaben, beispielsweise findet er den kürzesten Weg zwischen zwei Nahrungsquellen. Und das, obwohl der Schleimpilz kein Nervensystem besitzt und nur aus einer einzigen, zu einem Netzwerk geformten Zelle besteht.

In einem Schleimpilz strömt das flüssige Zytoplasma durch die Adern seines Netzwerks hin und her. Konzentrische Kontraktionen der Adern treiben die rhythmische, peristaltische Strömung an. Um herauszufinden wie Informationen in diesem Netzwerk verschickt werden, untersuchten die Forscher zunächst die Reaktion des Schleimpilzes auf einen lokalen Nahrungsreiz. Dabei beobachteten sie eine erhöhte Kontraktion der Adern, die sich im Adernetz ausbreitet. Der Anstieg der Kontraktionen bewegt sich mit einer Geschwindigkeit, die der des strömungsbasierten Transports entspricht. Basierend auf den Beobachtungen entwickelte das Team parallel dazu ein mathematisches Model. Dieses  Modell und die Beobachtungen unterm Mikroskop erklären das Prinzip, wie Informationen in den Adern des Schleimpilzes verschickt werden: Ein Reiz setzt Signalmoleküle im Zytoplasma frei. Die Strömung des Zytoplasmas verbreitet die Signalmoleküle im Netzwerk. Gleichzeitig kapern die Signalmoleküle ihr eigenes Transportmedium, indem sie die Kontraktionen erhöhen und damit die Strömung und ihren eigen Transport verbessern. Dieser sehr einfache Mechanismus allein reicht aus, um die vielfältigen, komplexen Verhaltensweisen des Schleimpilzes zu erklären: Die eine Beobachtung, dass sich die Strömung der Größe des Netzwerkes anpasst, oder die andere Beobachtung, dass der Schleimpilz die kürzeste Strecke zwischen zwei Nahrungsquellen findet. „Als entscheidende Bausteine der Kommunikation ohne Nervensystem haben wir Signalmoleküle und den flüssigkeitsbasierten Transport identifiziert, aber insbesondere auch die Wechselwirkung zwischen beiden“, sagt Karen Alim als Hauptautorin der Studie. „Ein sehr einfaches Prinzip, das auch in vielen Tausend anderen Organismen am Werk sein könnte. Für uns als Grundlagenforscher ist es zukünftig spannend, solche Wechselwirkungen in technologischen Anwendungen umzusetzen, um selbstorganisierte Anpassung zu ermöglichen.“

 
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