Alienhafte Raffinesse aufgeklärt

Die Forscher nutzten die Reaktion des Netzwerks eines Schleimpilzes auf einen Nahrungsreiz (Tropfen im Bild), um ein mathematisches Model zu entwickeln, das zusammen mit den Beobachtungen den einfachen Mechanismus hinter dem komplexen Verhalten erklärt. (Foto: Natalie Andrew)

Sie besitzen weder ein Gehirn noch ein Nervensystem, dennoch können sich Schleimpilze in komplexen Umgebungen erstaunlich "intelligent" bewegen. Forscher haben nun Einblicke darin gewonnen, wie dies den alienartigen Wesen gelingt. Demnach finden Schleimpilze durch ein überraschend simples Feedback-System beispielsweise den kürzesten Weg durch ein Labyrinth. Dieses Natur-Patent könnte man nun bei der Entwicklung von künstlichen Systemen mit selbstorganisierter Anpassung nutzen, sagen die Forscher.

Schleimpilze gehören zu den seltsamsten Kreaturen der Erde: Sie sind weder Tiere noch Pflanzen und trotz ihres Namens auch keine Pilze. Sie haben stattdessen einen ganz eigenen, bizarren Lebensentwurf entwickelt: Ihr Körper ist eine schleimige Masse, die aus einer einzigen riesenhaften Zelle besteht, die Milliarden von Zellkernen besitzt. Es handelt sich bei den Schleimpilzen auch durchaus nicht um Winzlinge: Der einzellige Körper erreicht bei vielen Arten sogar die Ausmaße einer menschlichen Hand. In den bizarren Schleimern strömt Zellflüssigkeit durch Adern eines Netzwerks hin und her. Konzentrische Kontraktionen dieser Strukturen treiben diese Strömung rhythmisch an. Dadurch kann sich das Gebilde wabernd fortbewegen: Mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Zentimeter pro Stunde kriecht es über den Untergrund.

Hirnlos clever

Dabei sind die schleimigen Freaks für ihr erstaunlich komplexes Bewegungsverhalten berühmt: Schleimpilze "wittern" Futterquellen in ihrer Umgebung und bewegen sich dann gezielt darauf zu. Sie können sogar den Weg durch ein Labyrinth finden und Hindernisse sinnvoll umwandern, wie frühere Studien gezeigt haben. Doch wie ist dieses "kluge" Verhalten ohne Gehirn sowie Nervensystem möglich? Dieser Frage sind nun Forscher vom Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation gemeinsam mit amerikanischen Kollegen aus Harvard und Madison nachgegangen. Ihr "Versuchs-Schleimer" war dabei der Schleimpilz Physarum polycephalum.

Um herauszufinden wie Informationen in dem Netzwerk des Schleimpilzes verschickt werden, untersuchten die Forscher zunächst die Reaktion ihrer wabernden Probanden auf lokale Nahrungsreize. Dabei beobachteten sie eine erhöhte Kontraktion der Adern, die sich anschließend im gesamten Ader-Netz ausbreitet. Der Anstieg dieser Kontraktionsaktivität breitete sich mit einer Geschwindigkeit aus, die der des strömungsbasierten Transports entspricht, stellten die Forscher fest. Somit lag nahe, dass das Informationssystem auf dem Fluss der Zellflüssigkeit basiert. Dazu entwickelte das Team dann ein mathematisches Model.

Potenzial für künstliche Systeme

Die Simulationen und die Beobachtungen unterm Mikroskop machten schließlich klar, wie das Informationssystem der Schleimpilze funktioniert: Demnach setzt ein Reiz zunächst Signalmoleküle in der Zellflüssigkeit frei. Die Strömung dieses sogenannten Zytoplasmas verbreitet die Signalmoleküle anschließend im Netzwerk. Gleichzeitig verstärken die Signalmoleküle ihr eigenes Transportmedium, indem sie die Kontraktionen der Adern erhöhen und damit die Strömung und ihren eigen Transport beschleunigen. Den Modellen zufolge reicht dieser erstaunlich einfach wirkende Mechanismus allein schon aus, um die komplexen Verhaltensweisen der Schleimpilze zu erklären.

"Als entscheidende Bausteine der Kommunikation ohne Nervensystem haben wir Signalmoleküle und den flüssigkeitsbasierten Transport identifiziert, aber insbesondere auch die Wechselwirkung zwischen beiden", resümiert Karen Alim von der Harvard University in Cambridge. "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", so die Wissenschaftlerin.

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