Kantonschule Rychenberg Winterthur

Einleitung

Wir wollten in der letzten Biologiepraktikumsstunde mit Hilfe von Mikroskopen und Färbungsstoffen ein einzelliges Lebewesen genau beobachten um dessen Verhalten exakt zu dokumentieren. Wir wählten als Versuchsobjekt das Pantoffeltierchen, weil es sehr häufig ist und sich gut beobachten lässt. Pantoffeltierchen sind in der Regel weniger als einen Viertelmillimeter groß und außen mit Wimpern (Cilien) bedeckt. Diese Wimpern sind sehr kleine Ausstülpungen, die sie zur Fortbewegung und zur Nahrungsbeschaffung brauchen. Sie leben in nahezu allen Süsswassergewässern. Im Labor kann man sie leicht züchten: Man braucht nur Pflanzenreste in etwas Wasser ein paar Tage stehenzulassen und schon wimmelt es nur so von Pantoffeltierchen. Diese Art Pantoffeltierchen zu züchten nennt man Heuaufguss.

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  Experimente  

  Anhand von einfachen Experimenten konnten wir folgende Punkte beobachten:  

1.  Bewegung  2

2.  Wimpernschlag  3

3.  Puls der pulsierenden Vakuole  4

4.  Nahrungsaufnahme  5

5.  Trychozystenabschuss  6

6.  Hintergrund  6

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  Um alle diese Punke beobachten zu können, brauchten wir folgendes Material:  

1.  Behälter mit Wasser, in dem Pantoffeltierchen leben  

2.  Mikroskop (Durchlichtmikroskop)  

3.  Versuchsplättchen aus Glas  

4.  Pinzette  

5.  Schwarze Tusche  

6.  Rot gefärbte Hefe-Lösung  

7.  Kosmetiktücher  

8.  Pipetten  

9.  Stoppuhr  

10.  Normale Füllfedertinte  

1.  Bewegung  

  Dies ist von allen Experimenten das Simpelste. Alles was man dazu benötigt ist  

  das Mikroskop, das Wasser mit den Pantoffeltierchen drin, ein Versuchsplätt-  

  chen und ein Kosmetiktuch. Auch von der Ausführung her ist es sehr unkompli-  

  ziert:  

1.  Man gebe mit einer Pipette einen Tropfen pantoffeltierchenhaltiges Wasser  

  auf ein Versuchsplättchen und decke das ganze vorsichtig mit einem zwei-  

  ten zu. Hierbei muss man die Pinzette verwenden, da es sehr schwierig ist,  

  das sehr dünne Glasplättchen von Hand auf den Tropfen zu legen, ohne  

  dass man es fallen lässt und somit nahezu sämtliche Pantoffeltierchen zer-  

  quetscht und die Probe unbrauchbar macht.  

2.  Wenn die Probe sauber von den zwei Glasplättchen umschlossen ist, muss  

  man sie auf den Objekttisch des Mikroskops bringen, das auf kleinste Ver-  

  grösserung eingestellt ist. So kann man die Bewegungszüge der Pantoffel-  

  tierchen am besten verfolgen.  

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Ergebnis

Die Pantoffeltierchen bewegen sich mit Hilfe ihrer Wimpern, welche sich an der Aussenseite des Einzellers befinden und wellenartige Bewegungen ausführen. Wenn sie sich schnell fortbewegen macht ihr Körper dabei eine spiralförmige Bewegung um die eigene Achse.

Wenn es auf ein Hindernis trifft, zeigt es ein typisches Verhalten, welches bei allen Tierchen zu beobachten ist: Zuerst zieht es sich schräg nach hinten zurück und führt dann seinen Weg in eine andere Richtung fort.

2. Wimpernschlag

Dieses Experiment ist schon etwas schwieriger als das letzte. Man braucht die gleichen Utensilien wie beim vorangegangenem Versuch. Einzig das Kosmetiktuch kommt neu dazu. Um den Wimpernschlag deutlich beobachten zu können, muss man wie folgt vorgehen:

1. Man gibt wieder wie beim ersten Experiment etwas mehr als einen Tropfen des Wassers auf ein Versuchsplättchen und deckt es mit einem anderen

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2. Dann muss man die Pantoffeltierchen irgendwie dazu bringen, dass sie sich nicht mehr so schnell bewegen. Es gibt verschiedene Methoden um

Wir entschieden uns für eine dritte Variante: Wir saugten mit einem Kosmetiktuch einen Teil des Wassers zwischen den beiden Glasplättchen ab, so dass die Pantoffeltierchen regelrecht eingeklemmt waren. Dies ist allerdings recht heikel: wenn man zu wenig Wasser absaugt schwimmen sie weiter und wenn man zu viel absaugt werden sie alle platt gedrückt. Jedoch dauert es eine Weile bis sie völlig zermürbt sind, was uns Zeit verschafft hatte, um sie besser zu betrachten.

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Ergebnis

Die Wimpern der Pantoffeltierchen bewegen sich sehr schnell und ohne Pause. Deshalb sind sie ständig von Wirbeln umgeben und andere, kleinere Tierchen werden weggespült. Die Hauptaufgaben der Wimpern sind jedoch die Nahrungsaufnahme und die Fortbewegung. Durch das ständige Bewegen wird immer neues Futter zum Mundfeld geschwemmt, und gleichzeitig bewegt sich das Tierchen vorwärts und kommt so in neue Gebiete, in denen die Nahrungsressourcen noch vollständig sind.

3. Puls der pulsierenden Vakuole

Da die Pantoffeltierchen im Wasser leben, und ihre Zellmembran selektivpermeabel ist, dringt ständig Wasser von seiner Umgebung in den Körper ein (weil es im Innern seines Körpers mehr osmotisch aktive Stoffe hat). Damit also das Tierchen nicht „verwässert“, muss es auf irgendeine Art das Wasser wieder aus seinem Körper hinausbefördern. Und dafür ist die Pulsierende Vakuole da. Um ihren Puls beobachten zu können, muss man

1. das Tierchen, wie bei Punkt 2 zum Stillstehen bringen. Nach einer Weile des Anschauens kann man zwei Bläschen ausmachen, welche in regelmäs-

leeren sich nur. 2. Man nimmt die Stoppuhr und zählt, wie viele Male sich die Vakuole in einer Minute entleert.

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Ergebnis

Eine Pulsierende Vakuole entleert sich etwa vier- bis fünf Mal pro Minute.

4. Nahrungsaufnahme

Für dieses Experiment braucht man neu die Hefelösung und die schwarze Tusche. Diese „Nahrung“ muss man mit einer Pipette je auf einen Tropfen Pantoffeltierchenwasser geben. Danach die Pantoffeltierchen wieder mit der bekannten Methode zum Stillstand bringen (man braucht nicht lange abzuwarten, bis die Pantoffeltierchen das Futter gegessen haben; sie haben sofort genügend Nahrung aufgenommen, um eine Veränderung gegenüber vorher zu erkennen).

Ergebnis

Das Pantoffeltierchen nimmt seine Nahrung durch sein Mundfeld in sog. Nahrungsvakuolen zu sich. Sehr gut zu erkennen sind unter dem Mikroskop (grösste Vergrösserung) die nun entweder rot oder schwarz gefärbten Nahrungsvakuolen. Im Durchschnitt enthält jedes Pantoffeltierchen etwa sechs bis acht solcher Vakuolen. Wenn alle Nahrung darin verdaut ist, wandert die vakuole an den Rand der Zelle und Formt sich zum Zellafter um, indem es sich nach aussen öffnet.

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5. Trychozystenabschuss

Kurzer Hintergrund: Trychozysten sind winzige Eiweissstäbchen, die das Pantoffeltierchen zur Selbstverteidigung explosionsartig aus sich

zu überleben. Dieses Experiment ist sehr selten erfolgreich abschliessbar. Denn meistens kommt man zu spät, um ein Pantoffeltierchen genau in dem Moment zu erwischen, in dem es seine Trychozysten abschiesst. Wenn man es aber trotzdem einmal zu Gesicht bekommt, ist es ein ziemlich spektakulärer Vorgang, der einem noch einige Zeit im Kopf bleiben wird.

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Ansonsten sieht man nur noch die Reste, welche wie ein Haufen Nadeln aussieht. Um die Pantoffeltierchen zum Trychozystenabschuss zu bringen, muss man wie folgt vorgehen:

1. Auf den Tropfen des Pantoffeltierchenwassers gibt man ein wenig blaue Füllfedertinte.

2. Anschliessend bedeckt man es wieder mit einem zweiten Glasplättchen und bringt es unter das Mikroskop. Wenn man Glück hat, kann man noch

haben. Hintergrund

Wimpern(Cilien)bewegung

Geißel- und Cilienbewegungen der Eukaryoten (!) sind genau genommen intrazelluläre Bewegungen; denn obwohl eine Geißel scheinbar als Fortsatz aus einer Zelle herausragt, bleibt sie von der Plasmamembran umschlossen. Alle Dyneinmoleküle entlang der gesamten Mikrotubulilänge müssen kontinuierlich mit ausreichenden ATP-Mengen versorgt werden, das Ionenmilieu und der pH-Wert in ihrer Umgebung müssen stimmen.

Den Bewegungsmechanismus beschrieb P. SATIR (1968, 1976, seinerzeit University of California, Berkeley) als einen sliding filament mechanism, bei dem sich die peripheren Tubulindoubletts aneinander vorbeischieben, wobei das Dynein, das stets an der A-Röhre verankert ist, mit seinen Spitzen Kontakte zur B-Röhre des benachbarten Doubletts schließt.

Der Mechanismus erklärt das Vor- und Zurückschlagen der Geißel, nicht jedoch die zahlreichen Varianten der Geißelbewegungen, die - meist an Einzellern - festgestellt wurden. Es gibt nämlich Zug- und Schubgeißeln sowie Flimmergeißeln. Es gibt solche, die um eine imaginäre Achse rotieren, und es gibt flexible Geißeln, bei denen sich die Bewegung wellenförmig entlang ihrer Achse ausbreitet.

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Viele Zellen können vom Vorwärts- in den Rückwärtsgang schalten oder mehr oder weniger starke Kurskorrekturen vornehmen.

Cilien unterscheiden sich nur durch ihre Zahl pro Zelle von Geißeln, meist sind sie zudem recht kurz, und oft ist der gesamte Zellkörper von ihnen umgeben. Bei Pflanzen sind sie nur selten anzutreffen, ein immer wieder zitiertes Beispiel sind die Zoosporen von Vaucheria sessilis.

In der Gruppe der Algen (mit Ausnahme der Rotalgen) sind geißeltragende Stadien verbreitet. Ebenso findet man sie bei den Spermatozoiden (männliche Gameten) der Moose und Farne. Im Verlauf der frühen Evolution der Samenpflanzen sind geißeltragende Stadien mehr und mehr zurückgedrängt worden. Zu den wenigen heute noch vorkommenden Ausnahmen gehören die Spermatozoiden von Ginkgo biloba und der Cycadeen.

Oft wird die Bewegung durch externe Signale gesteuert. Viele Einzeller (Algen, Protisten) bewegen sich auf bestimmte Reizquellen zu (Taxien): Licht (phototaktisches Verhalten), bestimmte Chemikalien (chemotaktisches Verhalten). Meist folgt die Bewegung einem Konzentrations- oder Intensitätsgradienten. Wird eine Reizschwelle überschritten (z. B. zu hohe Lichtintensität) setzt eine Umkehrreaktion ein. In den letzten Jahrzehnten wurde viel über die Signalerkennung gearbeitet. So wissen wir z. B., dass die Carotinoide im Augenfleck mancher Algen (z.B. Euglena) blaulichtempfindlich sind, die Chloroplastenbewegung der Alge Mougeotia unter Kontrolle des Phytochromsystems steht und Gameten (der Algen) auf artspezifische Sexuallockstoffe reagieren. Wie die Umsetzung des wahrgenommenen Signals und die Koordination gleich- oder entgegengesetzt gerichteter Signale in eine gerichtete Bewegung aussieht, ist jedoch nicht einmal in Ansätzen bekannt (black box).

An der Basis vieler Geißeln sind oft komplex strukturierte Basalkörper mit Geißelwurzeln vorhanden. M. MELKONIAN (Botanisches Institut der Universität zu Köln) hat sie bei einer Anzahl von Algengruppen analysiert und gruppenspezifische Muster festgestellt. Er wertet diese Strukturen und deren Abänderungen als Merkmale, die wesentlich zum Verständnis der verwandtschaftlichen Beziehungen der einzelnen Algengruppen untereinander beitragen können. (Quelle: http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/d25/25b.htm#cilia )

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Einfacher:

Für die Krümmung selbst sind energiebedürftige, ATP-abhängige Verschiebungen der Mikrotubuli im Inneren der Cilie verantwortlich. Jede Cilie ist außen von einer Plasmamembran umgeben. Die innen liegenden röhrenförmigen Mikrotubuli sind nach dem so genannten 9x2+2-Muster angeordnet. Die Cilie enthält in der Mitte zwei von einander getrennte Zentraltubuli, welche von neun Doppeltubuli (Dubletts) umgeben sind, die aus einem A- und B-Tubulus bestehen. Die Zentraltubuli sind von einer Art Scheide umgeben. An jedem A-Tubulus befinden sich Paare von armartigen Strukturen (Dyneinarme) die zum B-Tubulus des benachbarten Dubletts hinweisen. Die im Kreis angeordneten Dubletts sind durch Nexinbindeglieder miteinander und durch die so genannten Radialspeichen direkt mit den zwei Zentraltubuli verbunden. (Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Cilien)

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Aufbau eines Pantoffeltierchens

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