Physarum polycephalum

Grellgelb, glibberig – und erstaunlich klug: Ein exotischer Organismus, der in keine Schublade passt, sprengt unser Bild vom »primitiven« Einzeller. Ohne Gehirn, ohne Nerven und doch fähig zu lernen, zu entscheiden und komplexe Probleme zu lösen, mischt dieses Wechselwesen Biologie, Mathematik und Philosophie auf. Es teilt sich, verschmilzt, wandert, rechnet und verfügt über ein erstaunliches Repertoire an Krisenstrategien. Was zunächst unscheinbar wie ein 08/15-Einzeller daherkommt, entpuppt sich als Lebensform mit verblüffender Intelligenz. Dieser Artikel führt durch seine biographischen Optionen.

Jena, 1874. Am Eichenholzschreibtisch seines Arbeitszimmers in der »Großherzoglich und Herzoglich Sächsischen Gesamtuniversität zu Jena« sitzt Professor Dr. Ernst Heinrich Philipp August Haeckel vor einem leeren, weißen Zeichenbogen. Begeistert von der Abstammungstheorie Darwins, den er in England persönlich kennengelernt hatte, arbeitet er an einem eigenen Werk, in dem er die Abstammung des Menschen aus dem Tierreich erklären möchte. Als hochbegabter Künstler ist er in der Lage, seine Monographie mit exzellenten Illustrationen zu versehen, doch wo soll er seinen Stammbaum beginnen lassen? Was sind die »Grenzgänger« zwischen Pflanze und Tier – Lebewesen also, die mindestens ein Kennzeichen der Tiere tragen (wofür man z. B. die selbstständige Fortbewegung hielt), aber ansonsten so primitiv sind, dass sie keinerlei komplexe Strukturen erkennen lassen? Der Professor glaubt mit den Amöben die richtigen Kandidaten gefunden zu haben. Schon mit einem einfachen Mikroskop kann er beobachten, wie diese kleinen Schleimtropfen langsam durchs Bild wabern, dabei auf verschiedene Reize reagieren und beständig ihre Form ändern – weshalb man sie auch »Wechseltierchen« nannte. Aus dieser einfachen Ausgangsform musste sich wohl »höheres« Leben entwickelt haben.

wechsel:wesen

Amöben werden bis heute im Reich Protista (= Erstlinge) zur Gruppe der Protozoa (= Urtierchen) gerechnet und als Vorläufer vielzelliger Lebewesen angesehen. Die Vorstellung, man habe es hier mit primitiven Organismen zu tun, gehört allerdings auf die Müllhalde der Wissenschaft. Man darf sogar mit Fug und Recht das Gegenteil behaupten: Es sind die leistungsfähigsten Zellen überhaupt! Während sich in unserem Körper 210 verschiedene Zelltypen die Arbeit aufteilen müssen, da jede einzelne nur ein paar wenige Funktionen erfüllt, leistet eine Protisten-Zelle alles allein. Keine unserer Körperzellen kann ihre Funktion außerhalb des Körpers ausüben oder dort auch nur längere Zeit auf sich gestellt überleben. Bei einem Vergleich auf zellulärer Ebene, bei Einzellern recht naheliegend, entpuppt sich der Wandelzwerg als Wunderwerk.

Von dem britischen Mathematiker Bertrand Russell stammt der Ausspruch: »Ein Prozess, der von der Amöbe zum Menschen geführt hat, schien den Philosophen augenscheinlichen Fortschritt zu bedeuten – aber ob die Amöbe dieser Auffassung zustimmen würde, ist nicht bekannt.« Abgesehen von der Frage, ob dieser Prozess überhaupt stattgefunden hat, bleibt bei genauerem Hinsehen die Frage, inwiefern eine Amöbe überhaupt »Fortschritte machen« sollte, ebenso offen, da sie hervorragend an ihre Lebensumstände angepasst ist. Tauchen wir ein in den Mikrokosmos und begleiten wir Physarum polycephalum, ein »Wechselwesen« par excellence, das man einfach liebgewinnen muss. Da der Name etwas kompliziert ist, können wir ihn hier einfach Pepe nennen.

Er begegnet uns als versprengter Einzelkämpfer: eine 20-50 Mikrometer lange Amöbe im Wassertropfen unter dem Mikroskop. Auf den ersten Blick sieht man einen flachen Klecks, der ständig in Bewegung ist, wobei große und kleine, helle und dunkle Bläschen und Körnchen in seinem Inneren hin und her wimmeln. Eine genauere Beobachtung dieser Vorgänge zeigt, dass er über die Glasoberfläche des Objektträgers fließt. Auf der Seite, wo es vorwärts geht, tauchen kleine Beulen auf, die körnige Suppe strömt hinein, sie schwellen an wie ein Luftballon, der aufgeblasen wird, und dehnen sich dabei immer weiter nach vorne aus. Gleichzeitig tauchen am anderen Ende Runzeln und Falten auf, während sich das »Hinterteil« ablöst und nachgezogen wird.

Ein Studium seiner Bewegungsmuster lässt erkennen, dass er seine Umgebung systematisch erkundet, Futter sucht und Licht meidet. Die Membran, die ihn umhüllt, ist nämlich nicht einfach nur ein »Schleimbeutel«, sondern ein richtiges Multifunktionswerkzeug, dicht besetzt mit verschiedensten Rezeptoren. Einige reagieren auf chemische Signale, dienen damit als Zunge und Nase, weisen den Weg zur Nahrung und warnen vor Gefahr. Andere sprechen auf mechanische Reize an und ermöglichen so die Wahrnehmung von Druck, Berührung, Strömung und Temperatur, während wieder andere auf Licht reagieren. Jeder Rezeptor schickt seine Erkenntnisse in Form von Botenstoffen in die Zelle. Da deren Konzentration abnimmt, je weiter sie sich ausbreiten, wird klar, aus welcher Ecke sie kommen. So tragen sie zusätzlich eine räumliche Information. Zusammengenommen repräsentiert das bunte Gemisch der Botenstoffe alle Aspekte der Außenwelt, die für eine Amöbe von Bedeutung sind. Auf dieser Grundlage entscheidet sie in einem permanenten »molekular-demokratischen« Abstimmungsprozess über die weitere Richtung.

wabbel:wunder

Aber die Membran dient neben der Fortbewegung und Wahrnehmung auch als Verdauungssystem. Trifft der wandernde Glibber auf ein Objekt, das er für verwertbar hält, formt er an der Kontaktstelle blitzschnell einen »Mund« und umfließt es ringsum mit seinen Pseudopodien (so nennt man die Beulen und Ausbuchtungen im Fachjargon). Sobald diese sich wieder berühren, verschmelzen sie miteinander und – schwupps! – schwimmt die Beute, z.B. ein Bakterium oder eine kleine Alge, in einem Membranbläschen verpackt im Innern der Amöbe. Auf diese Weise hat sich ein kleiner »Magen« gebildet, in den nun verschiedene Enzyme eingeschleust werden, die den Inhalt auflösen und die Nährstoffe abtransportieren. Bei unbekannter Nahrung wird schon mal etwas länger herumexperimentiert, bis klar ist, wie ihr am besten beizukommen ist. Der Enzym-Mix, der sich als Erfolgsrezept erwiesen hat, wird anschließend auf Vorrat produziert, denn ein Häppchen kommt selten allein. Sollte irrtümlicherweise einmal etwas ganz und gar Unverdauliches zu Gast gekommen sein, ist das nicht weiter schlimm – das Bläschen wandert einfach wieder an die Innenwand, verschmilzt damit und entlässt so den Inhalt wieder nach draußen. Das Gleiche passiert auch mit den Überbleibseln der bekömmlichen Nahrung, so dass die Membran als Ausscheidungsorgan fungiert. Mit diesem letzten Schritt im Ernährungsprozess, den man in der Biologie als »Phagozytose« bezeichnet, wird das Mund-Magen-Darm-After-Bläschen einfach wieder zum Bestandteil der Außenhülle. Natürlich leistet der faltige Hautsack noch viele weitere Dienste. Bestimmte Stoffe werden bedarfsweise in die Zelle hinein- oder aus ihr hinaustransportiert, nach manchen Biomolekülen wird gezielt geangelt, und auch der Gasaustausch, der für die Atmung notwendig ist, erfolgt durch die Membran.

Mit dem Einfang-Trick könnte unser kleiner Freund übrigens auch trinken, indem er sich einfach einen Tropfen Flüssigkeit ohne Beute einverleibt. Aber das ist selten nötig. Im Gegenteil: Da er im Süßwasser lebt, aber im Innern sehr »salzig« ist, sickert ständig Wasser von außen durch alle Ritzen und Poren in ihn hinein. Er würde aufquellen und platzen, wenn nicht rund um die Uhr seine »Lenzpumpe« liefe, die man als »Kontraktile Vakuole« bezeichnet. Ihre rhythmischen Pumpbewegungen kosten ihn viel Energie und sind unter dem Mikroskop gut zu erkennen. Ein unbedarfter Beobachter könnte diese Struktur daher für das »Herz« der Amöbe halten, aber in ihrer Funktion entspricht sie der Niere.

plan:a:möbenleben

Alle beschriebenen Abläufe und Systeme sind genial und hochkomplex, dennoch gehören sie, wie viele andere Zellorganellen, von denen noch gar nicht die Rede war, zur Grundausstattung jeder 08/15-Amöbe, wobei »Amöbe« ein Sammelbegriff ist, der die Lebensweise einer sehr vielgestaltigen Gruppe von Einzellern bezeichnet. Manche von ihnen betreiben Photosynthese und suchen das Licht, während unser Freund die Dunkelheit bevorzugt. Sie können auf Phagozytose verzichten, wobei er verhungern würde. Einige Arten verstecken sich in Schalen, während er, wie die meisten Amöben, nackt unterwegs ist. Andere leben im Meer und brauchen dort im Salzwasser keine Kontraktile Vakuole, während er platzen würde, wenn sie einmal kurz ausfiele. Wieder andere sind für Tiere und Menschen Parasiten und Krankheitserreger bis hin zur gehirnfressenden Killeramöbe, während er niemandem etwas zuleide tut. Dass wir ausgerechnet ihn nun näher unter die Lupe nehmen, liegt ganz einfach daran, dass er der Einzige ist, den man bisher im Detail untersucht hat. (Gott allein weiß, was für Überraschungen die Welt der Mikroorganismen noch für uns bereithält.) Wird Physarum polycephalum auf einer feuchten Glas- oder Kunststoffplatte gehalten und mit ausreichend Nahrung versorgt, bietet ihm ein »Weiter so« nach »Plan A« – wie »amöboider Lebensstil« alles, was er braucht, um glücklich zu sein. Er könnte theoretisch »ewig« so leben, weil er »potentiell unsterblich« ist. Hat er so viel Nahrung aufgenommen, dass er fast auf das Doppelte seiner Ausgangsgröße angewachsen ist, kopiert er einfach alle lebenswichtigen Strukturen und Informationen, teilt die Vorräte brüderlich auf, schnürt sich in der Mitte ein und teilt sich (wer von den beiden ist denn jetzt »unser Freund«?). Bei gutem Futterangebot dauert das Ganze nur wenige Stunden: 2, 4, 6, 8 … es werden immer mehr. Sie würden die Welt erobern, wenn es überall feucht genug wäre und dort nicht schon so viele andere Wesen wimmelten, die sich zum Teil von Amöben ernähren.

plan:b

Lässt man sein kleines Refugium austrocknen, kann man beobachten, wie er hektische Umbauarbeiten ausführt und dann zu einem kleinen grauen Knopf zusammenschnurrt. Aber keine Angst – ihm ist nichts passiert. Er hat nur das Notfallprogramm »Plan B« aktiviert, indem er sich in eine kleine Panzerkugel eingeschlossen und alle Aktivitäten heruntergefahren hat. In dieser Form, »Zyste« genannt, erträgt er Trockenheit, Hitze und Kälte über lange Zeit. Gibt man nach einigen Jahren wieder Wasser darauf, dauert es keine halbe Stunde, bis der Panzer aufplatzt, unser kleiner Freund wieder herausfließt und sich zur vollen Größe entfaltet, als wäre nichts gewesen. Diese Überlebensstrategie kann er übrigens in verschiedenen Situationen anwenden. Auch wenn er das »Gefühl« hat, dass man ihn vergiften will oder sich ganz sicher ist, dass es in seinem ganzen Umfeld nichts mehr zu fressen gibt, mauert er sich vorsichtshalber ein und wartet auf bessere Zeiten.

plan:c:hancenoptimierung

Hält man ihn auf dem Boden eines wassergefüllten Gefäßes, ohne ihm Futter anzubieten, wird er wahrscheinlich zu »Plan C« (wie »Chancenoptimierung«) übergehen, einem Aktionsprogramm für Auswanderer und Entdecker. Für dieses Vorhaben ist die fließende Fortbewegung, bei der es sehr gemächlich zugeht und man nur auf Oberflächen vorwärtskommt, nicht besonders gut geeignet, weshalb auch hier einige Umbauarbeiten erforderlich sind, um zu einer »Schwarmzelle« (Myxoflagellat) zu werden. Zunächst wird festgelegt, wo vorn und wo hinten ist. Dann wird am frisch definierten Hinterende ein Außenbordmotor aus zwei schnurähnlichen Geißeln gebaut. Gleichzeitig versammeln sich die wichtigsten Rezeptoren am Kopfende und installieren ein Steuerungssystem. Schließlich löst unser Freund sich vom Boden ab und startet den Motor. Die langen Geißeln treiben ihn auf der Suche nach Nahrung mit synchronisierten Schlägen kreuz und quer durch das Becken. Jetzt sollten wir ihn aber auch schnell füttern – so viel Einsatz und Kreativität muss belohnt werden!

plan:d:ancing-crowd

Dieses Szenario ist nichts für Pepe, aber für viele andere Amöbenarten. Es wird hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt: Ein Pionier ist als Auswanderer unterwegs und entdeckt ein kleines Paradies – eine geschützte und reichhaltige Nahrungsquelle. Es spielt keine Rolle, ob er ganz ruhig »zu Fuß« angekrochen kommt, ob es ihn als fliegende Spore dorthin verweht oder ob er freischwimmend mit seinem Außenborder heranbraust, er wird auf jeden Fall bleiben, rund um die Uhr futtern und sich prächtig vermehren. Auch seine Abkömmlinge verspüren keinen Drang, diesen schönen Ort zu verlassen, und so herrscht schon nach wenigen Tagen Überbevölkerung und die Nahrung geht zur Neige. Durch chemische Botenstoffe, die sie in die Umgebung abgeben, können sie sich gegenseitig »riechen« und haben eine ziemlich genaue »Vorstellung« von der aktuellen Besiedlungsdichte im Revier. Wenn sie merken, dass sie »ein starkes Volk« geworden sind, reagieren sie auf das Versiegen der Futterquelle, indem sie »Plan D« auslösen, der einiges an Organisation erfordert, aber dafür die Vorteile von Plan B (widerstandsfähige Dauerform ohne Bedürfnisse) und Plan C (Eroberung neuer Lebensräume) verbindet. Was nun kommt, ist sensationell! Es wurde hundertfach verfilmt, und man sollte es sich unbedingt einmal angeschaut haben. Zunächst spielt sich ein »basisdemokratischer« Prozess ab. Da die Signalmoleküle, mit denen sie kommunizieren, inzwischen bekannt sind, können Forscher heute »zuhören« (und sogar »mitreden«). Die ganze Meute berät sich nun. Wo man sich am dichtesten auf die Pelle rückt, ist der Leidensdruck am größten. Dementsprechend finden sich dort die meisten Befürworter für die Ausführung des großen Plans. Sobald das molekulare Votum zustande kommt, folgt das Signal: Es geht los!

Von allen Seiten fließen die Amöben nun sternförmig in das Zentrum der Bewegung und bilden dort (ohne zu verschmelzen) einen großen, wackelnden Klumpen, der sich immer mehr verdichtet und dann koordiniert in Bewegung kommt. Obwohl es sich um eine Ansammlung gleichartiger und »gleichberechtigter« Zellen handelt, bringen sie es fertig, eine »wandernde Schnecke« zu formen, die auf der Suche nach einem geeigneten Ort umherkriecht, irgendwann stoppt und sich zu verschiedenen Mustern verformt. Man hat versucht, diese verschiedenen Formen zu systematisieren und zu deuten, was aber bis heute kaum gelungen ist. Jedenfalls hat man den Figuren schöne Namen gegeben: Mexikanerhut, Stahlhelm, Kegel, Finger, Zipfelmütze und Babuschka. So unterschiedlich das Amöbenballett der »dancing crowd« verlaufen kann, das Finale ist immer gleich: Plötzlich ist der Tanz zu Ende und der Haufen streckt sich energisch in die Höhe. Die Kollegen am Boden heften sich fest an und bauen ein stabiles Fundament, diejenigen in der Mitte fließen auseinander und bilden einen langen dünnen Stiel, während die Spitzenreiter alle überschüssige Flüssigkeit abgeben und zu einem runden Ball aus wohlverpackten und winzigen Sporen zusammenschrumpfen. Später reicht dann ein leichter Wind aus, um die Sporenkugeln vom vertrockneten Stiel zu wehen und in eine bessere Zukunft zu tragen. Alle Mitarbeiter, die an der Konstruktion von Fundament und Stiel beteiligt waren, haben sich dabei allerdings völlig verausgabt. Sie trocknen ein, ohne sich zuvor in Sporen oder Zysten zu verwandeln. Ihr »selbstloser« Opfertod ermöglicht der Mehrzahl des Kollektivs das Weiterleben.

plan:e:heschließung

Bei guter Versorgung lässt sich eine quirlige Amöbenschar ohne weiteres jahrzehntelang in einem Marmeladenglas halten. Könnten wir unseren kleinen Freund jetzt aber fragen, was ihm zu seinem Glück fehle, würde er wahrscheinlich antworten, dass die anderen ihn furchtbar langweilen. Sie sind ja praktisch ein Teil von ihm, machen die gleichen Erfahrungen und haben die gleichen »Kenntnisse« und Fähigkeiten. Man ist eben genetisch identisch und hat sich absolut nichts »zu erzählen«. Ganz anders sieht es allerdings aus, wenn man eine Amöbe gleicher Art aus einer anderen Gegend dazusetzt. Sie wird von jedem Bewohner unseres Glases sofort als Exot erkannt. Der erste, der Kontakt zu dem Neuankömmling aufnehmen kann, wird sofort »Plan E« (wie »Eheschließung«) auslösen und mit ihm verschmelzen. Es geht also auch andersherum: Aus zwei mach eins. Das Besondere an dieser Variante ist aber, dass hierbei zwei verschiedene Genome miteinander kombiniert werden. Der Zellkern, von dem noch gar nicht die Rede war, der aber als großer, dunkler Fleck das Erste ist, was dem Betrachter ins Auge fällt, enthält die DNA, die Erbinformation der Zelle. Bei unserem Freund lag sie bisher als einfacher (haploider) Chromosomensatz vor, aber nach der Verschmelzung rücken die beiden Zellkerne zusammen – und plötzlich ist er diploid. Das ist so etwas wie »Erwachsenwerden« und eröffnet ihm ganz neue Perspektiven.

plan:f:ulminates:wachstum

Es hat fast den Anschein, als ob er sich dessen bewusst wäre, dass er im Doppelpack etwas Besseres ist, denn nun tritt eine bemerkenswerte Veränderung ein. Sobald er zu seiner doppelten Größe herangewachsen ist, kopiert er wie üblich den Zellkern. Aber nun wird »Plan F« (wie »fulminantes Wachstum«) aktiviert. Anstatt sich einzuschnüren und zu teilen, spaltet er sich nicht mehr auf, sondern bleibt zusammen und wird zu einem »Plasmodium«: Eine Riesenzelle entsteht. Sie taucht schon bald aus dem Mikrokosmos auf und erscheint zunächst als flache Glibberscheibe, die immer noch sehr mobil ist und ständig weiterwächst. Sollte eine Krise eintreten, gibt es auch hier einen Notfallplan (»F-standby«), der im ersten Schritt die Aufteilung in kleinere Einheiten und im zweiten Schritt, bei Verschärfung der Krise, die Bildung kleiner, trockener Sporenkugeln vorsieht. Beide Schritte können kurzfristig wieder rückgängig gemacht werden, sollte sich die Lage entspannen. Dann fließen die Fragmente einfach wieder zusammen und setzen ihr Wachstum gemeinsam fort. Während er als Amöbe auf einen Wasserfilm angewiesen war und den Wasserüberschuss im Innern abpumpen musste, braucht er jetzt nur noch eine mäßig feuchte Umgebung und muss darauf achten, nicht auszutrocknen.

plan:g:itterschleimpilz

Die Verwandlungskunst erreicht ihren Höhepunkt, wenn »Plan G« (wie »Gitterschleimpilz«, das ist sein deutscher Name) zum Zug kommt. Wie wir gesehen haben, ist er weder Pilz noch Bakterium, Pflanze oder Tier, sondern eben einer jener zahlreichen Protozoen, die mit der historischen Nomenklatur der guten alten Zeit vorliebnehmen müssen, in der man es noch nicht besser wusste. Heute ordnet man ihn innerhalb der Übergruppe Amoebozoa (Amöbentierchen) der Untergruppe der Myxogastria (o. Myxomyceta, echte Schleimpilze) zu.

In seiner auffälligen »Schleimform« ist er schon lange bekannt: eine grellgelbe, glibberige Masse, die der Volksmund als »Drachendreck« bezeichnet. Ein Schleimpilz, oder Myxomycet, ist ein Wesen wie von einem anderen Stern, eine Pendelexistenz zwischen den großen Reichen des Lebens und ein Außenseiter der Systematik. Er fällt aus der Reihe aller sonstigen Kreaturen heraus: Während alle anderen großen Organismen aus vielen einzelnen Zellen bestehen, ist er nur eine Zelle. Verglichen mit seiner bisherigen Daseinsweise, nimmt er nun gigantische Ausmaße an und überzieht häufig ganze Baumstümpfe. Als eine Arbeitsgruppe führender Myxomyceten-Forscher an der Universität Bonn ihren Chef, den renommierten Zellbiologen Karl Ernst Wohlfahrt-Bottermann, im Jahr 1987 in den Ruhestand verabschiedeten, züchteten sie ihm zu Ehren ein 5,54 Quadratmeter großes Physarum-Exemplar in Form eines W, wie »Wohlfahrt«. Mit diesem Späßchen schufen sie, nach Ansicht der Redakteure des Guinness Book of Records, die (flächenmäßig) größte Zelle der Welt.

plan:h:artleibig

Noch erstaunlicher als sein enormes Wachstum ist seine unglaubliche Flexibilität. Man kann ihn komplett zerpflücken – solange in den einzelnen Fetzen noch Zellkerne vorhanden sind, werden sie weiterwachsen und bei Kontakt zu den Nachbarn wieder verschmelzen. Auch zwei »fremde« Riesenzellen, die sich begegnen, vereinigen sich sofort, ohne sich vorher näher kennengelernt zu haben. Auf diese Weise koexistieren häufig verschiedene Genomvariationen in der gleichen Zelle, ergänzen sich und konkurrieren friedlich miteinander.

Obwohl unser Freund sehr vorsichtig agiert, Licht und Wärme meidet und sich bei Trockenheit in Spalten und Hohlräume oder sogar unter die Erde zurückzieht, kommt es hin und wieder vor, dass sein Standort völlig austrocknet. In diesem Fall tritt »Plan H« (wie »hart«, griechisch: skleros) in Kraft. Er presst die Flüssigkeit aus sich heraus und wird zu einer blassgelben, schwammigen, knochentrockenen und steinharten Dauerform, Sklerotium genannt. Genau wie die Sporen und Zysten, die uns ja bereits begegnet sind, kann er in diesem Zustand widrigsten Umständen lange Zeit trotzen, um irgendwann wieder zum Leben zu erwachen.

plan:i:deal

Sein höchstes biologisches Ziel erreicht er bei guter Ernährungs- und Wachstumssituation, wenn er »Plan I« (wie »Ideal«) in die Tat umsetzen kann. Dann bildet er an seiner Oberfläche lauter kugelige Fruchtkörper aus, die sich auf langen Stielen in die Höhe recken. Im Inneren dieser Kugeln vollziehen die Zellkerne nun eine »Reifeteilung« (Meiose), bei der sich ihr Chromosomensatz wieder halbiert. Beide Hälften werden jeweils mit dem nötigsten Proviant zusammen in kleine Kügelchen verpackt und abgeschnürt.

Nach kurzer Zeit ist so ein Sporangium entstanden, ein dunkelbrauner Sporenbehälter, der tausende von kleinen, trockenen, haploiden Sporen enthält, die vom Wind davongetragen werden. Landen sie später in einer feuchten Umgebung, führen sie »Plan J« – »janz von vorn« aus, indem sie eine kleine, nackte Amöbe entlassen – und der Kreis schließt sich mit der Rückkehr zu »Plan A«.

porridge:fan

Aber zurück zu seiner greifbaren und optisch präsenten Form: Ein reifer und voll ausgewachsener Gitterschleimpilz wirkt in Zeitrafferaufnahmen wie ein raffinierter Jäger, der sich zum Beispiel auf ausgewachsene Ständerpilze stürzt, sie zu Fall bringt, von allen Seiten überzieht und komplett in seinem vibrierenden Corpus verschwinden lässt. Wenn er sich über vermoderndes Holz hermacht, arbeitet er sich tastend vor und entwickelt eine effiziente Strategie zur Erschließung dieser Nahrungsquelle. So wie im Untertagebau eine Sohle ausgebeutet wird, indem man ein Gitternetz aus Strecken ins Kohleflöz treibt und die Zwischenräume dann »Streb für Streb« systematisch abbaut, breitet sich unser Freund in einer gitterförmigen Röhrenstruktur aus, um dann die lohnendsten Zwischenräume zuerst zu überdecken und »abzuweiden«.

Er verhält sich außerdem erstaunlich gesundheitsbewusst und achtet auf eine ausgewogene Ernährung. In seinem Fall enthält das ideale Futter 2/3 Kohlenhydrate und 1/3 Proteine. Die Französin Audrey Dussutour, die sich schon vor vielen Jahren in P. polycephalum verliebt hat, platzierte ihn immer wieder in der Mitte eines Kreises aus 11 verschiedenen Futterstückchen, quer durch die französische Fauna, Flora und Küche. Sobald er die Diffusionsspuren des Buffets in dem Agargel seines Untergrunds »geschmeckt« hatte, machte er sich zielsicher als erstes über die Portion her, die seinem Ernährungsideal am ehesten entsprach. Man fand heraus, dass Haferflocken die perfekte Nahrung für Pepe sind und er im Prinzip nichts anderes braucht.

iq:test

Nach moderner Auffassung entsteht das kognitive Potential, das wir als »Intelligenz« bezeichnen, durch das Zusammenspiel hochspezialisierter Zellen, die in »neuronalen Netzen« miteinander verschaltet sind. Im gleichförmigen Plasmodium-Brei von Physarum gibt es weder Nerven noch Schaltnetz. Trotzdem ist er in der Lage, sich als Ganzes koordiniert fortzubewegen und mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Zentimeter pro Stunde auf ein Ziel zuzufließen. Er hinterlässt hierbei eine zarte Spur spezieller Glykoproteine. Wenn er auf seine eigene Spur stößt, weiß er, dass er dort bereits gewesen ist. Auf diese Weise kann er eine neue Umgebung in einem optimalen Laufmuster erkunden.

Aber lässt sich wirklich sagen, dass Physarum intelligent ist? Die Frage ist nicht leicht zu beantworten, weil Intelligenz keine allgemeingültig definierte Größe ist. Üblicherweise wird sie durch verschiedene Tests bestimmt, die meistens mit Problemlösungen zu tun haben – und gerade das ist seine Spezialität, bei der er mehr Punkte holt als die »höchstentwickelten Tiere«!

Labyrinth-Versuche sind ein klassisches Instrument der Verhaltensforschung. Japanische Forscher fanden im Jahr 2000 heraus, dass unser Freund mit absoluter Sicherheit den kürzesten Weg findet, wenn man ihn mit Haferflocken anlockt, die er für sein Leben gerne futtert. Für eine 14 cm lange Strecke im 25 Quadratzentimeter großen Irrgarten braucht er vier Stunden, um die richtige Lösung zu finden. Das erscheint zunächst ziemlich langwierig. Bezieht man allerdings seine maximale Fortbewegungsgeschwindigkeit im Verhältnis zur Größe des Labyrinths mit ein, so löst er die Aufgabe deutlich schneller als beispielsweise eine Ratte.

Ein Versuchstyp, den man als »Umwegs-Experiment« bezeichnet, scheint viel einfacher lösbar zu sein als ein verworrenes Labyrinth. Eine typische Versuchsanordnung für Physarum sieht so aus, dass er in der Rundung einer U-förmigen Barriere sitzt, während seine Lieblingsspeise sich auf der anderen Seite, direkt »vor seiner Nase« befindet. Er kann sie wahrnehmen, aber nicht direkt erreichen. Die Lösung heißt natürlich: zuerst raus aus der Öffnung des »U«, dann einmal außenherum und »ran an den Speck«. Der Clou ist, dass er sich dabei zunächst von dem verführerischen Reiz wegbewegen muss, um auf einem Umweg dorthin zu gelangen. Es ist eigentlich unfassbar, dass ein Organismus diese Strategie ohne »Einsicht« und »räumliches Vorstellungsvermögen« wählt. Doch während zum Beispiel unsere vierbeinigen Familienangehörigen mit derartigen Aufgabenstellungen schnell überfordert sind, meistens nur frustriert knurren und am Maschendraht hochspringen, hat unser schleimiger Freund hier nicht das geringste Problem.

pfad:finder

Als wahres «Rechen-Genie« erweist er sich bei der Lösung eines Aufgabentyps, der in der Mathematik als »Problem des Handlungsreisenden / Travelling Salesman Problem / TSP« behandelt wird. Dabei müssen verschiedene Punkte mit der kleinstmöglichen Strecke verbunden werden, eben wie ein Handelsvertreter, der verschiedene Städte bereisen muss und dafür die optimale Route herausfinden möchte. Obwohl es sich um eine mathematisch höchst anspruchsvolle Kalkulation handelt, die massiven Rechenaufwand erfordert, gibt es Materialien, die es in seiner einfachsten Form lösen können, ohne dass man sie deswegen für intelligent halten würde. Man kann beispielsweise die Karte einfach auf ein Holzbrett heften, in jede Zielstadt einen Nagel einschlagen und das Ganze umgedreht in eine Wanne mit Seifenlauge eintauchen. Hat man sich geschickt genug angestellt, sind die Nägel nach dem Herausheben mit einem Seifenblasen-Band verbunden, das die perfekte Lösung darstellt. Hier haben wir es mit einem chemisch-physikalisch erklärbaren Vorgang zu tun, der sich aus den Eigenschaften einer Seifenblase ergibt. Das hat allerdings wenig mit der Art und Weise gemein, wie unser Freund derartige Aufgaben löst. Der japanische Physarum-Spezialist Toshiyuki Nakagaki ließ ihn im Jahr 2010 die Stationen des Schienennetzes im Großraum Tokio, einem Ballungsgebiet, in dem 38 Millionen Menschen leben, verbinden. Die Stationen sind durch Stapel von Haferflocken dargestellt (je höher das Passagieraufkommen, desto mehr gibt es zu holen). Außerdem ist der Kunststoffplatte, auf der er sich ausbreiten sollte, eine »Lichtkarte« unterlegt. Gut passierbare Areale sind darin abgedunkelt, Berge, Schluchten, Flüsse, offene Wasserflächen und andere Hindernisse dagegen strahlen umso heller, je schwerer sie verkehrstechnisch zu erschließen sind.

Das Ergebnis übertraf alle Erwartungen. Obwohl es sich nicht mit dem tatsächlich existierenden und ingenieursmäßig optimierten Schienennetz deckte, war es in allen Bewertungskategorien genauso gut oder besser als dieses. Besonders pfiffig sind seine »Bypass-Lösungen« für die höchstfrequentierten Streckenabschnitte. Heute ist es leider zu spät, sie in die Praxis umzusetzen, das Gebiet ist inzwischen dicht bebaut, aber hätte man unseren Freund vor fünfzig Jahren schon nach seiner Meinung gefragt, wäre tatsächlich eine bessere Verkehrsplanung möglich gewesen. Bleibt zu erwähnen, dass die Verkehrsbetriebe in Tokio eine eigene Lösung gefunden haben, die etwas weniger elegant anmutet: Bahnmitarbeiter, die als »Oshiya« (= Drücker) bezeichnet werden, schieben und pressen die Passagiere von außen in die überfüllten Wagen hinein, damit sich die Türen schließen und die Fahrgastwechselzeiten möglichst kurz gehalten werden können.

Nach diesem ermutigenden Experiment sind tausende ähnlicher Probleme durch das gelbe Schleimgitter perfekt gelöst worden. Ob es um Straßen- oder Schienennetze, Kabelführungen, Leiterplatten oder Rohrsysteme geht, die Ingenieure beginnen gerade erst das Potential der »Schleimoptimierung« zu entdecken. Kernkompetenz von Physarum ist die »Multidimensionale Optimierung«. Seinen »Input« bekommt er über Licht, Kälte, Hitze, Trockenheit, Salz, Vibration, die er scheut, und Haferflocken, Dunkelheit, Raumtemperatur, Feuchtigkeit und Ruhe, die er liebt. Darüber hinaus gibt es eine Reihe weiterer Verlockungen (Attraktoren) und Abschreckungen (Repelloren), die gerade erst untersucht werden. Sobald der Einfluss dieser Faktoren im Experiment festgestellt ist, können sie eingesetzt werden, um das Resultat zu beeinflussen. Die Riesenzelle wird zum »Molekular-Computer«. Statt Elektronenstöße, die in Halbleitern interagieren, liefert hier ein fein abgestimmter Mix aus Milliarden von Signalmolekülen, die in räumlich strukturierten Gradienten durch das Zellinnere diffundieren, ein hochaufgelöstes Rechenergebnis. Dabei ist die Koordination des Prozesses immer noch ein großes Rätsel, denn wie sein Artname polycephalum – »der Vielköpfige« – schon andeutet, gibt es darin kein Zentrum.

ent:schlossen

Besonders spannend sind Situationen, in denen sich zeigt, dass seine Reaktionen nicht »fest verdrahtet« sind, sondern eine gewisse Flexibilität erkennbar ist. Wird der erkundungsfreudige Pionier in die Mitte einer Petrischale gesetzt und mit einem Ring aus Salz umgeben, passiert Folgendes: Ausläufer breiten sich in jede Richtung aus und stoßen überall auf das Salz, worüber er nur sehr ungerne läuft, weil er dabei viel Flüssigkeit verliert. Er »erkennt«, dass er eingeschlossen ist und zieht sich für einen Moment wieder in die Mitte zurück, als müsste er seine Lage überdenken. Wenn die Abneigung gegen das Salz als absolute Regel »einprogrammiert« wäre, müsste er nun verhungern oder zumindest »Plan H« aktivieren. Tatsächlich sieht es aber so aus, dass er sich irgendwann »ein Herz fasst« und todesmutig mit höchstem Tempo und so schmal wie möglich über die Barriere hinwegfließt. Was geschieht hier? Wie und wo fällt diese Entscheidung? Diese Fragen sind bis heute offen.

takt:voll

Was »dem Fass den Boden ausschlägt« ist der Befund, dass unser Freund ganz offensichtlich ein Zeitgefühl hat. In einem bemerkenswerten Experiment wurde ihm eine Stunde lang kontinuierlich Futter zugeführt. Dann wurde die Futterzufuhr für 5 Minuten ausgesetzt, nach einer weiteren Stunde noch einmal für 5 Minuten. Nach Ablauf der dritten Stunde hatte er bereits gelernt, dass in den entsprechenden 5 Minuten kein Futter zu holen ist und streckte sich erst gar nicht mehr danach aus. Auch als nach der vierten Stunde wieder durchgehend Futter angeboten wurde, hielt er sich in diesen 5 Minuten (beleidigt?) zurück. Erst nach zwei weiteren Stunden war die »Erinnerung« verblasst, und er griff wieder kontinuierlich zu. Man hat das Experiment auch mit negativen Reizen ausprobiert, in dem man in einem bestimmten Zeitschema ein Gebläse dazugeschaltet hat. Luftzug mag Pepe gar nicht. Er merkt sich, wann der Fön läuft, und verzichtet dann schon vorher, sich nach den Haferflocken auszustrecken.

Das wirft natürlich eine Unzahl von Fragen auf: Woher weiß er, wann 60 Minuten vergangen sind? Wo tickt die Uhr? Wie »erinnert« sich eine einzelne Zelle? Bei allen Experimenten, in denen Physarum etwas lernt, konnte außerdem gezeigt werden, dass die neu gewonnene Information bei der Vereinigung zweier Zellen auf den Gesamtkomplex übertragen wird. Der Organismus kann daher bedarfsweise kleine mobile Satelliten abschnüren und auf Erkundungsreise schicken. Bei ihrer Rückkehr verschmelzen diese Scouts wieder mit der Basis und reichen die neugewonnenen Erkenntnisse bis in die letzten Ecken der Riesenzelle durch.

captain:future

Als letztes Highlight wäre noch zu erwähnen, dass unser Freund das erste Lebewesen ist, das dadurch geadelt wird, dass seine »Rechenleistung« unmittelbar in technischen Konstruktionen integriert wird. In den Forschungslaboren der Universität von Kōbe (Japan) und Southampton (GB) lenkt er fahrende und krabbelnde Roboter. Man lässt ihn hierzu auf einer Platine wachsen, die seine Reaktionen auf Umweltreize als Änderung des elektrischen Widerstands misst und daraus die Steuerbefehle errechnet. Obwohl er als Makro-Organismus ja einen eher schwerfälligen Eindruck macht, arbeitet er als molekulare Rechenmaschine blitzschnell und liefert Echtzeit-Signale verzögerungsärmer, als ein Mikroprozessor es ohne seine Hilfe könnte.

Derartige bio-elektronische Steuerungen gelten bereits als hoffnungsvolle Kandidaten für die Weltraumtechnik. Neben ihrer enormen Datenverarbeitungskapazität qualifizieren sie sich durch einige weitere Eigenschaften: Sie sind nicht nur in der Lage, sich selbst zu kontrollieren, sondern können sich auch selbst reparieren und bedarfs weise neu konfigurieren. Außerdem scheint es möglich, auf kleinstem Raum geschlossene Stoffkreisläufe mit hocheffektiver Nutzung von Solarenergie und nahezu hundertprozentigem Materialrecycling zu installieren.

Jede biologische Fachrichtung forscht an typischen Modellorganismen: Bakteriologen kultivieren E. coli, Zellbiologen Bäckerhefe, Genetiker manipulieren Fruchtfliegen und Mäuse, Entwicklungsbiologen forschen am Fadenwurm, Embryologen studieren die Entwicklung von Krallenfröschen, Hühnern und Zebrabärblingen, Pharmakologen testen Substanzen an Ratten und Meerschweinchen und so weiter … – Physarum mausert sich zum Lieblingsspielzeug von Zellbiologen, Bioinformatikern, Netzwerkingenieuren, Verhaltens- und Kognitionsforschern, die häufig ein bedauerndes Kopfschütteln ernten, wenn sie sich zu ihrem Forschungsobjekt »Schleimpilz« bekennen.

Was die Öffentlichkeit betrifft, führt er bisher noch ein Schattendasein. Es ist aber wohl nur eine Frage der Zeit, bis Hollywood ihn für sich entdeckt und als liebenswertes Haustier, vielköpfigen Super-Agenten oder mutierten Monster-Schleim über die Leinwand fließen lässt. In den Biowissenschaften wird heute mit Erstaunen zur Kenntnis genommen, dass exzellente Kompetenzen, deren Entstehung in einer langen evolutionären Entwicklung vermutet werden, schon ganz zu Beginn dieses Szenarios zu finden sind. Wer allerdings einen Eindruck der unendlichen Weisheit von Jesus Christus, dem »Urheber des Lebens« (Apg 3,15) bekommen hat, ist keinesfalls überrascht. »Wunderbar sind deine Werke, und meine Seele weiß es sehr wohl!« (Ps 139,14).

Link zum Buch: https://www.daniel-verlag.de/produkt/ wimmelwesen