München - Sich genau an etwas erinnern zu können, Informationen bei Bedarf abzurufen, um zielgerichtet Entscheidungen zu treffen – solche Fähigkeiten gestehen wir Menschen vor allem uns selbst zu, allenfalls noch unseren Artverwandten aus dem Tierreich. Doch für ein gutes Gedächtnis braucht es weder Nervensystem noch Gehirn, wie Forscher berichten.

Ein Beispiel ist der Schleimpilz Physarum polycephalum. Wenn der glibberige, knallgelbe Organismus bei seinen Streifzügen nach Nahrung auf ergiebige Quellen stößt, merkt er sich die Stellen genau. Dazu webt er die Erinnerung an die Nahrungsorte in Form einer nach dem Kontakt mit der Nahrung gebildeten Chemikalie in die Architektur seines Körpers ein. Die in seinem Gedächtnis gespeicherten Informationen nutzt der Schleimpilz für künftige Richtungsentscheidungen – je nachdem, welche Nahrungsquelle sich aufzusuchen lohnt. Das berichteten Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) und der Technischen Universität München im Fachjournal PNAS.

Der „Blob“ bildet ein optimales Netzwerk

Der Schleimpilz, dem sein Auftritt in dem Science-Fiction-Film „Schrecken ohne Namen“ den Spitznamen „Blob“ eingebracht hat, fasziniert Wissenschaftler schon lange. In Labyrinth-Experimenten verblüffte er mit seinen zielstrebigen Fähigkeiten. „Blob“ ist kein Monster. Er labt sich am liebsten an Haferflocken, zumindest im Labor. Dabei wählt er stets den kürzesten Weg. Solche Fähigkeiten sind bei einem primitiven Lebewesen erstaunlich.

Schleimpilze sind Einzeller. Sie stehen in der Evolution des Lebens an der Grenze zwischen dem Reich der Tiere, Pflanzen und echten Pilze. Dabei sind sie noch nicht auf eine uns vertraute Gestalt festgelegt. Zunächst leben sie als Einzeller fast unsichtbar im Wald, wo sie amöbengleich über feuchtes Moos, Laub und verrottendes Holz kriechen. Sie ernähren sich von organischen Abfällen, wachsen und teilen sich. Dann geht mit ihnen eine tiefgreifende Verwandlung vor sich. Aus der unscheinbaren Amöbe wird ein etwa handtellergroßer, farbenfroh leuchtender Schleimklecks, der manchmal zu einer Größe von mehreren Quadratmetern heranwachsen kann.

Foto: Reuters/Benoit Tessier
Schleimpilz im Pariser Zoo.

Trotz der Ausmaße besteht das schleimige Wesen immer noch aus einer einzigen, jedoch riesenhaft vergrößerten Zelle, die angefüllt ist mit einer gallertigen Masse. Damit umfließt Physarum seine Opfer, Bakterien und Algen, um sie aufzunehmen und zu verdauen. Durch den Schleim schimmert ein Netzwerk aus verschieden dicken Röhrchen, das an ein Adergeflecht erinnert. In den sich rhythmisch zusammenziehenden Röhrchen pulsiert jedoch kein Blut, sondern flüssige Gallertmasse. Durch den Umbau des Röhrennetzes kann sich der Schleimpilz in alle Richtungen bewegen, wenn auch nur im Schneckentempo.

Die flexible Anpassung seines Netzwerks an die sich ständig ändernden Aufgaben bewältigt er mit so viel Effizienz, dass er dabei nicht den Vergleich mit menschlicher Ökonomie bei der optimalen Auslegung eines Transportnetzes scheuen muss. Eine Leistung, die ihm das Attribut „intelligent“ einbrachte. „Das weckte bei uns die Idee, dass die Netzwerkarchitektur selbst als Gedächtnis der Nahrungsorte dienen könnte“, sagt Karen Alim, Leiterin der Forschungsgruppe Biologische Physik und Morphogenese am MPI-DS in Göttingen und Professorin für die Theorie biologischer Netzwerke an der TU München. „Allerdings mussten wir zunächst den Mechanismus entschlüsseln, der hinter der Bildung der Netzwerkmusters steckt.“

Kontakt mit Nahrung setzt Chemikalie frei

Im Labor haben die Wissenschaftler bis auf die mikroskopische Ebene analysiert, wie der Schleimpilz sein Netzwerk aufbaut. Dazu haben sie die von ihm gewählten Lösungen mit Computermodellierungen verglichen. Biochemische Untersuchungen zeigten, dass der Schleimpilz beim Kontakt mit Nahrung eine Chemikalie freisetzt. Diese wandert vom Futterfundort durch die Röhren und lässt diese weicher werden. Die Weichmacher-Chemikalie macht die Röhren zu einer Art Autobahnnetz, mit dem sich der Schleimpilz vergleichsweise schnell auf die neue Nahrungsquelle ausrichten kann. Mehr noch. „Dort wo die Röhren allmählich weicher werden, kommen auch die noch vorhandenen Abdrücke früherer Nahrungsquellen ins Spiel. Dort wird die gespeicherte Information abgerufen“, erklärt MPI-DS Forscherin Mirna Kramar.

Vergangene Nahrungsaufnahmen zeichnen sich als Anordnung von dicken und dünnen Röhren im Netzwerk ab. Mithilfe der buchstäblich eingeprägten Erinnerungen trifft der Schleimpilz seine Entscheidung über die künftige Bewegungsrichtung. So vollbringen bereits Einzeller mit einem einfachen Mechanismus verblüffende Gedächtnisleistungen. Damit ist der Schleimpilz nicht allein.

Auch Pflanzen können sich an einschneidende Ereignisse erinnern, etwa, um zum optimalen Zeitpunkt zu blühen. Dafür entwickelten sie ein epigenetisches Gedächtnis, wie ein internationales Team um Forscher der Österreichischen Akademie der Wissenschaften herausgefunden hat. Es funktioniert mithilfe von Histonen, das sind Proteine, welche Gene ein- und ausschalten. Die Schaltproteine sitzen auf jenen Genen der DNA, welche die Blüte kontrollieren. Kalte Temperaturen im Winter sorgen dafür, dass sie sich in den Zellen der Blütenanlagen ansammeln. Solange sie auf den Blühgenen sitzen, blockieren sie die Blütenbildung. Dauerhaft ansteigende Temperaturen im Frühling bauen den Blockadeschalter ab und geben die Blütenentwicklung frei. So erinnert sich die Pflanze, dass der Winter vorüber und die rechte Zeit gekommen ist, um zu blühen.

Die Venusfliegenfalle, eine fleischfressende Pflanze, kann mithilfe ihres Gedächtnisses sogar zählen. Ihre Blätter bilden ein gezähntes Fangeisen, mit dem sie auf Insekten lauert. Lässt sich ein Insekt auf dem mit Fühlhaaren besetzten, geöffneten Blatt nieder, schnappt das Fangeisen zu. Das Insekt wird von abgesonderten Verdauungssäften binnen Tagen verdaut, dann öffnet sich die Falle wieder. Lange war rätselhaft, wie die Pflanze entscheidet, ob sie zu schnappt. Woher weißt sie, ob sich ein lohnender Happen in ihrem Blatt verfangen hat oder nur Regentropfen sie berührt haben?

Die Venusfliegenfalle kann bis fünf zählen

Forscher der Universität Würzburg haben herausgefunden, dass sie das Problem mithilfe ihres Gedächtnisses löst. Die Venusfliegenfalle schnappt erst zu, wenn die über das Fangblatt krabbelnde Beute die Fühlhaare innerhalb von 30 Sekunden zweimal berührt. „Die Pflanze hat eine Art Kurzgedächtnis entwickelt. Das nutzt sie für ihre Entscheidung“, sagt Rainer Hedrich, Professor für molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik.

Bei der ersten Berührung der Sensorhaare wird der mechanische Reiz in ein elektrisches Signal umgewandelt. Wie eine Welle breitet es sich über das gesamte Fangblatt aus. „Als Reaktion darauf passiert erst einmal nichts“, sagt der Forscher. „Wenn innerhalb von 30 Sekunden ein zweites elektrisches Signal die Falle erregt, schnappt sie zu.“ Lässt dagegen der zweite Reiz länger auf sich warten, wird das erste Signal aus dem Kurzzeitgedächtnis der Venusfliegenfalle gelöscht.

Mithilfe ihres Gedächtnisses kann die Pflanze sogar zählen – bis fünf: Exakt nach dem fünften elektrischen Reiz sondert sie einen Enzym-Cocktail ab, der die Beute langsam verdaut.

Für die Abwehr ihrer Erzfeinde setzen sogar Bakterien auf ein gut funktionierendes Gedächtnis. Damit prägen sie sich den „Steckbrief“ von Bakteriophagen ein; das sind Viren, die Bakterien befallen. Die Bakterien wehren sich, in dem sie Proteine bilden, die wie molekulare Scheren das fremde Erbgut präzise aus der eigenen DNA heraustrennen und es dann in Stücke zerschneiden. Die genetische Virusinformation wird nicht verworfen, sondern von den Bakterien speziell gespeichert. „Mit dieser Koppelung halten sie ihre molekularen Speicherbanken ständig auf dem neusten Stand und merken sich individuelle Bedrohungen durch Viren langfristig. Das ist für die Bakterien von enormem evolutionären Nutzen“, sagt Stan Brouns, Professor für Molekularbiologie an der Technischen Universität Delft.

Er ist überzeugt, dass das Wissen über das Gedächtnis der Bakterien die Medizin weiterbringen wird, etwa bei der Suche nach Strategien gegen Resistenzen. Dafür baut Brouns gerade eine Biobank für Bakteriophagen auf. „Wir hoffen so, Alternativen zum Einsatz von Antibiotika zu finden. Es sind noch viele Fragen offen, bevor wir an einen klinischen Einsatz denken können.“