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Schlaue Schleimpilze


Gehirn & Geist - epaper ⋅ Ausgabe 2/2019 vom 05.01.2019

HABITUATION Selbst vermeintlich simple Organismen können lernen und Probleme lösen – ganz ohne Gehirn oder Nervenzellen. Forscher streiten noch, ob es sich dabei schon um Kognition handelt.


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Bildquelle: Gehirn & Geist, Ausgabe 2/2019

MIT FRDL. GEN. VON AUDREY DUSSUTUR, CNRS

Auf einen Blick: Lernen mal anders

1 Wer Probleme lösen will, braucht dazu kein Gehirn – Lebewesen wie der SchleimpilzPhysarum polycephalum zeigen, dass das auch ohne Denkapparat klappen kann.

2 Durch Habituation schafft er es, unangenehme Reize zu ignorieren, sofern das für ihn vorteilhaft ist. Dieses Wissen kann er sogar an andere Schleimpilze weitergeben.

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... Kognitionsforscher streiten darüber, ob man bei solchen simplen Organismen, die ohne Nervensystem auskommen, von Denken, Gedächtnis und Lernen sprechen kann.

Schleimpilze gehören zu den seltsamsten Lebewesen der Welt. Lange als Pilze klassifiziert, werden sie heute den Amöben zugeordnet. Die einzelligen Organismen haben weder Neurone noch ein Gehirn. Trotzdem diskutieren Wissenschaftler seit Jahren darüber, inwieweit sie in der Lage sein könnten, von ihrer Umwelt zu lernen und ihr Verhalten entsprechend anzupassen.

Für Audrey Dussutour, Biologin an der französischen Université Paul Sabatier in Toulouse, ist diese Frage längst beantwortet. Mit ihrem Team forscht sie seit fast einer Dekade am SchleimpilzPhysarum polycephalum . Die Wissenschaftlerin lehrte den Organismus mittlerweile nicht nur, schädliche Substanzen zu ignorieren; sie zeigte auch, dass er sich noch viel später an sein erlerntes Verhalten erinnern kann. »Lernen« wird bei simplen Organismen meist als Habituation bezeichnet, oft um den Prozess von dem komplexerer Tiere mit Nervenzentren abzugrenzen. »Nach der klassischen Definition von Habituation lernt ein primitiver Einzeller so, wie es Tiere mit Gehirn tun«, sagt Chris Reid, Verhaltensbiologe an der Macquarie University in Australien. »Da Schleimpilze keine Neurone haben, müssen die Mechanismen des Lernprozesses aber völlig anders sein.«

Schleimpilze eignen sich hervorragend für Laborstudien: Schließlich sind sie mit bloßem Auge sichtbar und damit im Vergleich zu anderen Protozoen leicht zu beobachten. Zudem lassen sie sich einfach halten und gut manipulieren. Es gibt mehr als 900 Arten. Einige leben die meiste Zeit als einzellige Organismen, kommen aber in Schwärmen zusammen, um nach Futter zu suchen und sich zu vermehren. Die so genannten plasmodialen Schleimpilze, denen auchPhysarum polycephalum angehört, existieren dagegen stets als eine riesige Zelle mit Tausenden von Kernen. Trotz dieser simplen Bauart und Lebensweise besitzen Schleimpilze erstaunliche Fähigkeiten. Einige Spezies mögen etwa kein Koffein, Salz oder starkes Licht. Doch Forscher wie Dussutour konnten ihnen beibringen, dass damit versehene Bereiche vielleicht gar nicht so unangenehm sind, wie es scheint.

Beim SchleimpilzP. polycephalum muss eine einzelne Zelle alle Funktionen des Organismus selbst übernehmen. Dass derartige Organismen etwas lernen und sich daran erinnern können, ist neu und umstritten. Traditionell haben Wissenschaftler das Phänomen des Lernens nämlich direkt mit der Existenz eines Nervensystems verknüpft. Einige Kollegen, so Dussutour, meinten sogar, ihre Forschung wäre eine schreckliche Zeitverschwendung, die unweigerlich in eine Sackgasse führen würde.

Habituation gilt als einfachste Form des Lernens. Das Konzept beschreibt, wie ein Organismus reagiert, wenn er immer wieder auf die gleichen Bedingungen trifft – ob er beispielsweise einen Reiz herausfiltern kann, den er als irrelevant erachtet hat. Ein klassisches Beispiel für Habituation bei Menschen ist, dass wir das Gefühl unserer Kleidung auf der Haut nicht mehr wahrnehmen, sobald wir sie angezogen haben. Wir können zudem unangenehme Gerüche oder Hintergrundgeräusche ignorieren, vor allem wenn sie sich nicht ändern und für unser Überleben unwichtig sind. Für uns wie für andere Tiere wird diese Form des Lernens durch neuronale Netze in unserem Nervensystem ermöglicht. Zellen darin erkennen Reize, verarbeiten sie und lösen unsere Reaktionen aus. Doch ob es auch bei Einzellern ohne Neurone zur Habituation kommen kann, war lange unklar.

Haferbrei als Leckerei

Dussutour machte sich daran, das herauszufinden. Zuerst versetzte sie sich dazu in die Lage der Schleimpilze, erzählt sie. Sie fragte sich: Was müssen die Organismen über ihre Umgebung lernen, um zu überleben und zu gedeihen? Schleimpilze kriechen langsam. Sie können sich leicht in Umgebungen verirren, die zu trocken, salzig oder sauer sind. Dussutour überlegte sich deshalb, ob sie sich an solch unangenehme Bedingungen gewöhnen könnten. Dann entwickelte sie einen Weg, um genau das zu testen.

Ihre Mitarbeiter und sie platzierten im Labor kleine Schleimpilzstücke nahe einem Schälchen mit Haferbrei, einer der Lieblingsspeisen des Organismus. Um den Leckerbissen zu erreichen, mussten die Schleimpilze über Gelatinebrücken wachsen. Diese hatten die Wissenschaftler entweder mit Koffein oder Chinin bestrichen – harmlose, aber bittere Chemikalien, die die Organismen normalerweise vermeiden. »Im ersten Experiment brauchten die Schleimpilze zehn Stunden, um die Brücke zu überqueren – und sie versuchten wirklich, sie nur so wenig wie möglich zu berühren«, sagt Dussutour. Nach zwei Tagen begannen die Schleimpilze aber, die Bitterstoffe zu ignorieren, und nach sechs Tagen reagierten sie nicht mehr auf die Abschreckung.

UNSERE AUTORIN
Katia Moskvitch ist Wissenschaftsjournalistin in London.


Die Habituation der Schleimpilze war substanzspezifisch: Solche, die sich an Koffein gewöhnt hatten, zögerten weiterhin, eine chininhaltige Brücke zu überqueren und umgekehrt. Die Organismen hatten zwar gelernt, einen bestimmten Reiz zu erkennen und auf diesen zu reagieren, aber deshalb krochen sie nicht gleich wahllos über alle unangenehm anmutenden Brücken. »Dass diese Organismen lernfähig sind, hat erhebliche Auswirkungen, die über die Anerkennung von Lernen in nichtneuronalen Systemen hinausgehen«, fasst Dussutour zusammen. Sie glaubt, Schleimpilze könnten Wissenschaftlern helfen, zu verstehen, wann und wo die frühesten Formen des Lernens entstanden sind. In einer Fortsetzung des Experiments ließ die Forscherin die habituierten Schleimpilze zwei Tage lang ruhen.

In dieser Zeit setzten sie und ihr Team die Organismen weder Chinin noch Koffein aus. Im Anschluss konfrontierten sie diese erneut mit den abschreckenden Brücken. »Dabei beobachteten wir, dass die Schleimpilze ihre Lektion vergessen, wenn sie sich erholen – denn sie scheuen die Chemikalien wieder«, stellt Dussutour fest. Sie verhielten sich wie zuvor und mieden die Brücken.

Natürlich können sich Organismen an Umweltveränderungen anpassen, ohne dass dies notwendigerweise Lernen impliziert. Doch Dussutours aktuelle Forschungsarbeit legt nahe, dass die Schleimpilze diese Verhaltensmuster nicht nur durch eigene Erfahrung aufgreifen können. Manchmal tauschen die Protozoen ihre Erfahrungen anscheinend miteinander aus. In einer Studie zeigte Dussutours Team, dass »naive«, nichthabituierte Schleimpilze durch Zellfusion mit habituierten direkt deren erlerntes Verhalten übernehmen können. »Das ist äußerst spannend für unser Verständnis von viel komplexeren Organismen wie Tieren, Menschen und Pflanzen«, kommentiert František Baluška, der an der Universität Bonn die Signalübertragung von Pflanzen erforscht.

Verbindende Erfahrungen

Im Gegensatz zu komplexen mehrzelligen Organismen können Schleimpilze in mehrere Teile zerhackt werden, ohne dabei Schaden zu nehmen. Wieder aneinandergereiht, verschmelzen die Stücke prompt über plasmagefüllte Röhren miteinander. Sie bilden so einen einzigen, großen Schleimpilz, dessen adernartige Verbindungsgänge sich wie ein Netz zwischen den einzelnen Teilen spannen. Dussutour schnitt ihre Schleimpilze in mehr als 4000 Stücke und trainierte die Hälfte mit Salz – eine weitere Substanz, welche die Organismen verschmähen, wenn auch nicht so sehr wie Chinin und Koffein. Dann verschmolz ihr Team die Schleimpilze, die an Salz gewöhnt waren, mit denen, die es nicht waren, und zwar in unterschiedlichen Masseverhältnissen. Im Anschluss testeten sie die Einheiten.

Audrey Dussutour arbeitet seit etwa zehn Jahren mit dem SchleimpilzPhysarum polycephalum – und sie konnte dem Einzeller in der Zeit schon einige Tricks beibringen.


MIT FRDL. GEN. VON AUDREY DUSSUTUR, CNRS

»Sobald es einen habituierten Schleimpilz in der Mischung gab, zeigte der gesamte Organismus dieses Verhalten «, erzählt Dussutour. »Ein Schleimpilz übertrug also diese gewohnte Reaktion auf den anderen.« Nach drei Stunden trennten die Forscher die Verbindungen wieder. Beide Teile mieden nun das Salz nicht mehr. Der nichthabituierte Schleimpilz hatte also von seinem habituierten Partner gelernt.

Wissenschaftler rätseln noch, welcher Mechanismus dieser Leistung zu Grunde liegt. Baluška denkt, dass eine Reihe von Prozessen und Molekülen beteiligt sein könnte. Das Zytoskelett von Schleimpilzen bildet möglicherweise Netzwerke, die sensorische Informationen verarbeiten. »Sie leiten die Informationen dann an die Kerne weiter«, vermutet er.

Gelehriges Mimöschen

Nicht nur Schleimpilze können habituieren. Forscher untersuchen auch andere Organismen ohne formales Nervensystem, um herauszufinden, ob sie die grundlegendste Form des Lernens aufweisen. So veröffentlichten Monica Gagliano von der University of Western Australia und ihre Kollegen im Jahr 2014 einen Artikel zur Kognition vonMimosa pudica . Mimosenpflanzen sind bekanntlich empfindlich gegenüber Berührungen oder anderen Störreizen: Als Abwehrmechanismus klappten sie sofort ihre zarten Blätter zusammen. Gagliano baute einen Mechanismus, der die Pflanzen abrupt um etwa 30 Zentimeter fallen ließ, ohne sie zu beschädigen. Zuerst reagierten die Pflanzen, wenn sie fallen gelassen wurden, aber nach einer Weile hörten sie damit auf – sie hatten scheinbar gelernt, dass keine Abwehrreaktion notwendig war.

Dussutour wollte herausfinden, ob ihre Schleimpilze vielleicht sogar zu noch mehr fähig waren. Könnte das Gedächtnis der Einzeller vielleicht auch nach einer »Auszeit« weiterhin bestehen bleiben? Um das zu testen, trockneten sie und ihr Team sowohl naive als auch mit Salz habituierte Schleimpilze unter streng kontrollierten Bedingungen. So versetzten sie die Organismen in einen Ruhezustand, aus dem sie sie erst nach einem Jahr, im März 2018, rissen. Als die Schleimpilze aus ihrem Schneewittchenschlaf erwachten, waren sie von Salz umgeben. Die nicht habituierten Individuen starben – wahrscheinlich weil sie es nicht verkraften konnten, wie schnell das Salz ihrer Zelle Feuchtigkeit entzog. »Wir haben viele Schleimpilze verloren«, sagt Dussutour. »Aber die Habituierten überlebten.« Sie begannen auch schnell, sich in ihrer salzigen Umgebung auszudehnen, um nach Nahrung zu suchen.

Die Forscherin stellte die bisher unveröffentlichte Arbeit auf einer wissenschaftlichen Tagung im April 2018 an der Universität Bremen vor. Sie betonte, dass ein Schleimpilz Erlerntes trotz umfangreicher physikalischer und biochemischer Veränderungen in der einjährigen Ruhephase bewahren konnte. Sich zu erinnern, wo man Nahrung findet, ist gewiss eine nützliche Fähigkeit frei lebender Schleimpilze. »Ohne Habituation würden sie wohl schwer zurechtkommen«, meint Dussutour.

Der SchleimpilzPhysarum polycephalum(unten im Bild) kann lernen, unangenehme Hindernisse – wie hier die mit Koffein überzogenen Gelatinebrücken – zu überwinden, um zum Ziel (Hafenbrei, oben) zu gelangen.


MIT FRDL. GEN. VON AUDREY DUSSUTUR, CNRS

Hirnlose Verkehrsplanung

SCIENCE/AAAS; TERO, A. ET AL.: RULES FOR BIOLOGICALLY INSPIRED ADAPTIVE NETWORK DESIGN. IN: SCIENCE 327, S. 439-442, 2010, FIG. 1; ABDRUCK GENEHMIGT VON AAAS / CCC

EVANGELIDIS, V. ET AL.: PHYSARUM MACHINES IMITATING A ROMAN ROAD NETWORK: THE 3D APPROACH. IN: NATURE SCIENTIFIC REPORTS 7: 7010, 2017, FIG. 3C () / CC BY 4.0 (CREATIVECOMMONS.ORG/LICENSES/BY/4.0/LEGALCODE )

Dass der SchleimpilzPhysarum polycephalum den kürzesten Weg aus einem Labyrinth finden kann, war schon 2000 bekannt. Im Jahr 2010 zeigten Forscher um Toshiyuri Nakagaki von der Hokkaido University in Sapporo, Japan, dass der Organismus damit sogar zur Verkehrsplanung fähig ist.

Für ihre Studie hatten die Wissenschaftler eine Petrischale so aufbereitet, dass sie einer Landkarte vom Tokioter Großraum ähnelte. Die wichtigsten »Vorstädte« bildeten Haferflocken, und dort, wo auf der Karte Tokio wäre, setzten sie einen Schleimpilz. Angelockt von den Leckerbissen breitete sich die Amöbe über die kommenden Stunden aus und erzeugte langsam ein Netzwerk zwischen den einzelnen Nahrungsquellen (Bild oben links). Nach etwa einem Tag hatte dieses erstaunliche Ähnlichkeit zu jenem Schienennetz entwickelt, das Tokio mit anderen Städten in der Umgebung verbindet.

Forscher um Andrew Adamatzky führten die Experimente in die nächste Dimension: Anstatt mit flachen Petrischalen zu arbeiten, bereiteten sie ein topologisches 3-D-Modell der Balkanländer vor, auf derPhysarum polycephalum wachsen und sich ausbreiten konnte. Auf dieser Miniaturlandschaft verteilten sie 17 Haferflocken – und zwar dort, wo zu römischer Zeit die 17 wichtigsten urbanen Zentren auf dem Balkan zu finden waren. Die Haferflocke, die Thessaloniki repräsentierte, war zudem schon Heimat eines Schleimpilzes. Von hier aus wanderte dieser zu den anderen »Städten« aus und bildete dabei ein Netzwerk, das dem Straßennetz der Römer verblüffend ähnelte (Bild rechts). Diese Modellierungsfähigkeiten könntenPhysarum in Zukunft zum nützlichen Werkzeug in der archäologischen Forschung machen, glauben die Wissenschaftler.

Evangelidis, V. et al.: Physarum Machines Imitating a Roman Road Network: the 3D Approach. In: Scientific Reports 7, 7010, 2017

Tero, A. et al.: Rules for Biologically Inspired Adaptive Network Design. In: Science 327, S. 439–442, 2010

Noch grundlegender ist laut Dussutour, dass dieses Ergebnis auch die Existenz einer primitiven Kognition belege. Damit meint sie eine Form von Kognition, die nicht auf komplexe, mehrzellige Organismen beschränkt ist. Traditionell galten einfache Organismen – solche ohne Gehirn und Neurone – als höchstens zu einem einfachen Reiz-Reaktions-Verhalten fähig. Die Untersuchungen an den Schleimpilzen legen allerdings nahe, dass auch solche Lebewesen in der Lage sind, komplexe Entscheidungen und Problemlösungen in ihrer Umgebung zu treffen. Toshiyuki Nakagaki von der Hokkaido University in Japan und seine Kollegen haben zum Beispiel eindrucksvoll demonstriert, dass Schleimpilze Verteilernetze zumindest so effizient auslegen wie von Menschen entworfene Systeme. In einem berühmten Experiment haben die Forscher zum Beispiel einen Schleimpilz das Schienennetz von Tokio nachbilden lassen (siehe »Hirnlose Verkehrsplanung«, oben).

Simon Garnier leitet das Swarm Lab am New Jersey Institute of Technology. Zusammen mit seinem damaligen Mitarbeiter Chris Reid erforschte er, wie Schleimpilze Informationen zwischen all ihren Segmenten übertragen könnten. Jeder noch so kleine Teil der Schleimpilze zieht sich in der Regel im Lauf von etwa einer Minute zusammen und dehnt sich dann wieder aus. Mit Hilfe einer Technik, die mit einer Schleimpilzversion eines MRT-Hirnscans vergleichbar ist, untersuchen die Forscher den Vorgang. Ihr Ziel war es, zu klären, ob die Schleimpilze ihre Pulsationen zur Informations- übertragung nutzen – und so komplexe Entscheidungen bei widersprüchlichen Reizen treffen.

Der plasmodiale SchleimpilzPhysarum polycephalum ist nicht nur lernfähig ist, sondern auch ästhetisch.


MIT FRDL. GEN. VON AUDREY DUSSUTUR, CNRS

Die Forscher fanden, dass die Kontraktionsrate an die Beschaffenheit der lokalen Umgebung angepasst war. Attraktive Reize verursachen schnellere Pulsationen, während negative Reize sie verlangsamen. Jeder pulsierende Teil beeinflusste die Pulsfrequenz seiner Nachbarn. Reid vermutet, die räumlich getrennten Ausläufer des Schleimpilzes senden so Informationen über ihre unmittelbare Umwelt zu weiter entfernten Abschnitten und bestimmen, in welche Richtung sich der Gesamtorganismus weiterbewegen wird. Ähnlich wie die Feuerraten vernetzter Neurone beeinflussen sich die Pulsationsgeschwindigkeiten so gegenseitig.

Einige bekannte Biologen und Hirnforscher kritisieren die Ergebnisse. »Neurowissenschaftler wehren sich vehement gegen die ›Abwertung‹ der Einzigartigkeit des Gehirns«, betont Michael Levin, Biologe an der Tufts University in Boston. »Gehirne sind großartig, aber wir müssen uns daran erinnern, woher sie kommen. Neurone entwickelten sich aus nichtneuronalen Zellen – sie erschienen nicht auf magische Weise.«

Für den Kognitionswissenschaftler Fred Kaijzer von der Universität Groningen in den Niederlanden ähnelt die Diskussion über das Schleimpilzgedächtnis der Debatte, ob Pluto ein Planet ist: Die Antwort hängt sowohl davon ab, was man unter dem Begriff versteht, als auch von den empirischen Daten, die Dussutour und andere Forscher gesammelt haben. Dennoch sieht er keine eindeutigen wissenschaftlichen Gründe, warum nichtneuronale Organismen nicht zum Lernen fähig sein sollten. Er meint, es handle sich weniger um einen Krieg um die Wissenschaft als vielmehr um Worte. »Die meisten Neurowissenschaftler, mit denen ich über Schleimpilzintelligenz gesprochen habe, akzeptieren gerne, dass die Experimente gültig sind und ähnliche Ergebnisse wie Experimente an Tieren mit Gehirn zeigen«, sagt Reid. Was sie in Frage zu stellen scheinen, ist die Verwendung von Begriffen, die traditionell der Psychologie und den Neurowissenschaften vorbehalten sind. Dabei handelt es sich um Konzepte, die fast überall mit dem Gehirn in Verbindung gebracht werden, wie Lernen, Gedächtnis und Intelligenz. »Schleimpilzforscher möchten, dass funktionell entsprechendes Verhalten, das im Schleimpilz beobachtet wird, mit den gleichen Begriffen wie bei Tieren mit Gehirn beschrieben wird. Viele klassische Neurowissenschaftler bestehen währenddessen darauf, dass die eigentliche Definition von Lernen und Intelligenz eine neuronenbasierte Architektur erfordert«, erklärt er.

Um die Mehrheit der Kognitionsexperten von der Bedeutung der primitiven Systeme zu überzeugen, werden die Schleimpilzforscher Habituation wohl an einem noch breiteren Spektrum von Reizen demonstrieren müssen. Noch wichtiger ist allerdings, dass sie jene molekularen Mechanismen aufdecken, die Schleimpilzen das Lernen erlauben. So könnten sie klären, wie die Organismen Informationen zwischen einzelnen Zellkernen übertragen. Die Daten könnten einen ganz neuen Blick auf Konzepte wie Lernen oder Denken eröffnen – und zudem vielleicht als Schablone für künstliche Formen der Intelligenz dienen.

Übersetzte, redigierte und aktualisierte Fassung des Artikels »Slime Molds Remember — but Do they Learn?« aus »Quanta Magazine«, einem inhaltlich unabhängigen Magazin der Simons Foundation, die sich die Verbreitung von Forschungsergebnissen aus der Mathematik und den Naturwissenschaften zum Ziel gesetzt hat.

QUELLEN

Boisseau, R. P. et al.: Habituation in Non-Neural Organisms: Evidence from Slime Moulds.In: Proceedings of the Royal Society B 283, 20160446, 2016

Gagliano, M. et al.: Experience Teaches Plants to Learn Faster and Forget Slower in Environments where it Matters.In: Oecologia 175, S. 63–72, 2014

Vogel, D., Dussutour, A.: Direct Transfer of Learned Behaviour via Cell Fusion in Non-Neural Organisms.In: Proceedings of the Royal Society B 283, 20162382, 2016

Weitere Quellen im Internet:www.spektrum.de/artikel/1612184