Biologiepraktikum, Kurs B
Holger Diegel, Platz 18
19.12.1996
Protozoen stellen die einfachste tierische Lebensform dar: Es
sind eukaryontische Einzeller, die alle lebenswichtigen
Funktionen selbständig ausführen können.
Nicht immer einfach ist die Abgrenzung der Protozoen von
pflanzlichen Organismen, wie z.B. bei dem einzelligen
Augentierchen Euglena, das sowohl wie eine Pflanze Photosynthese
betreiben kann, aber auch wie ein Tier organische Stoffe als
Nahrung nutzt.
Man unterscheidet vier Gruppen von Protozoen: Flaggellaten (Geißeltiere),
Rhizopoden (Wurzelfüßler), Ciliaten (Wimperntierchen) und
Sporozoen (Sporentierchen).
Sporozoen bilden Sporen oder Sporencysten aus, bei den anderen
Gruppen erfolgt die Zuordnung aufgrund der Art der Fortbewegung,
aber dazu später mehr.
Von medizinischer Bedeutung sind vor allem parasitär lebende Protozoen, die für viele weit verbreitete und gefährlicher Krankheiten verantwortlich sind. Durch Flaggellaten werden z.B. die Schlafkrankheit, die Chagas-Krankheit und Kala-Azar verursacht, durch Rhizopoden die Amöbenruhr und durch Sporozoen Malaria.
Auslöser der Schafkrankheit ist der Flaggellat Trypanosoma brucei, der durch einen Stich der Tsetesfliege (Überträger) in das Blut des Menschen (Wirt) gelangt und sich dort vermehrt. Nach etwa 12 Wochen gelangt der Parasit ins Hirnwasser und von dort in das Zentralnervensystem und verursacht so die typischen Symptome der Schlafkrankheit.
Etwas komplizierter verhält es sich mit Plasmodium, dem
Erreger der Malaria. Der Parasit vermehrt sich nicht einfach
durch Längsteilung wie Trypanosoma brucei, sondern durchläuft
einen Zyklus:
Die Anopholes-Mücke überträgt durch ihren Stich Sporozoiten
von Plasmodium in das Blut des Menschen, die von dort aus
Leberzellen befallen und sich in ihnen durch Schizogenie
ungeschlechtlich vermehren. Die entstehenden Merozoiten befallen
Erythrozyten und vermehren sich in ihnen durch eine erneute
Schizogenie. Jede Vermehrungswelle der Merozoiten löst beim
Menschen heftige Fieberschübe aus (etwa alle 3 Tage). Neben
neuen Merozoiten, die wiederum Erythrozyten befallen, entstehen
auch geschlechtlich differenzierte Formen: Gamonten.
Bei einem erneutem Mückenstich gelangen die Gamonten in den Darm
der Mücke, wo ein männlicher und ein weiblicher Gamont zu einer
Zygote verschmelzen.
Aus der Zygote entstehen durch Sporogenie Sporozoiten, die in die
Speicheldrüse der Mücke wandern.
Im Praktikum wurden der Rhizopode Amoeba proteus und der
Ciliat Paramecium caudatum lichtmikroskopisch untersucht. Von
beiden Protozoen wurden bereits fertiggestellte Feuchtpräparate
ausgeteilt, die den Einzellern Bewegungsfreiheit ließen - die
Pantoffeltierchen waren jedoch mittels Nickelsulfat-Lösung betäubt.
Von beiden Protozoen wurde eine Übersichtszeichnung angefertigt,
von den Amöben zusätzlich noch ein Bewegungsprotokoll.
In einem weiteren Versuch wurden nicht betäubte Paramecien mit
gefärbter Hefe gefüttert (Farbstoff: Kongorot).
Die lichtmikroskopische Untersuchung soll zum einen den grundsätzlichen
Aufbau einer eukaryontischen Zelle verdeutlichen, den man in
seiner grundlegenden Struktur an Protozoen deutlich erkennen kann.
Zum anderen sollen aber auch protozoenspezifische Fähigkeiten,
wie Nahrungsaufnahme und Fortbewegung, beobachtet werden.
Amöben kommen vor allem auf faulenden Pflanzenteilen in Teichen oder Gräben vor, es gibt aber auch Formen, die im menschlichem Darm existieren.
Die beobachtete Amöbe veränderte kontinuierlich ihre Gestalt,
auch die Lage der in der Zeichnung aufgeführten Zellorganellen
wechselte ständig. Die Größe der Zelle muß etwa 600 µm
gelegen haben.
Besonders auffällig war die große pulsierende Vakuole, die hell
und durchscheinend erschien. Durch diese Vakuole reguliert die Amöbe
ihren Wasserhaushalt. Aufgrund des höheren osmotischen Drucks
des Cytoplasmas dringt ständig Wasser in die Zelle ein, das
durch das rhythmische Pumpen der Vakuole nach Außen befördert
wird. Die Pumpfrequenz ist abhängig von der Größe der
Zelloberfläche und dem osmotischen Druck außerhalb der Zelle.
Alle im Kurs ermittelten Frequenzen liegen in einem realistischen
Bereich.
Die Tabelle zeigt die Anzahl von Amöben, deren Kontraktionsfrequenz innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls liegt:
Intervall [min] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 >10 Anzahl Amöben - 3 9 6 7 6 2 2 1 - 2
Der Zellkern war lichtmikroskopisch nicht zu erkennen; gut zu
sehen war jedoch eine große Nahrungsvakuole. Nahrungsvakuolen
sind membranumkleidete Blasen, die von der Zelloberfläche
abgeschnürte werden. Dieser Nahrungsvakuole werden
Verdauungsenzyme zugeführt.
Die verdaute Nahrung wird in das Plasma aufgenommen. Die
Nahrungsvakuole wandert mit den unverdaulichen Bestandteilen an
die Zelloberfläche, verschmilzt mit der Zellmembran und gibt den
Inhalt nach außen ab.
Die Nahrungsaufnahme bei Rhizopden wird als Endocytose bezeichnet: Die Nahrung an der Zelloberfläche wird von der Zellmembran umschlossen und die so gebildeten Vesikel werden ins Plasma aufgenommen
Man unterscheidet die Aufnahme von in Flüssigkeit gelösten Nährstoffen
(Pinocytose) und die Aufnahme von Feststoffen (Phagocytose). Bei
der beobachteten Endocytose handelt es sich demnach um eine
Phagocytose.
Bei der Pinocytose entsteht zwischen kurzen, körnerfreien
Pseudopodien ein Kanälchen, an dessen Ende eine kleine Vakuole
abgeschnürt wird.
Bei der Phagocytose umfließen die Pseudopodien feste
Nahrungspartikel.
Weitere Zellorganellen waren nicht zu erkennen - das
Endoplasma enthielt aber eine Vielzahl von meist kleinen Einschlußkörpern.
Die Amöbe bewegte sich durch Ausstülpung von Pseudopien (Scheinfüßchen) fort, in die Cytoplasma einfließt. Teilweise bildete sie mehrere Pseudopien gleichzeitig aus, die aber in etwa gleich gerichtet waren. In den anderen Teilen der Zelle zog sich das Cytoplasma entsprechend zurück.
Ermöglicht wird dies durch folgende Vorgänge:
"Bei der Amöbe ist das Ektoplasma gelartig fest, das
Endoplasma solartig flüssig. Bei der Bildung eines Pseudopodiums
strömt das Endoplasma nach vorn und dann - einem Springbrunnen
ähnlich - nach den Seiten. Hier geht es in den Gelzustand über.
Am Hinterende dagegen wandelt sich das gelartige Ektoplasma in
solartiges Endoplasma um und strömt nach vorn. Das Endoplasma
fließt gleichsam in einer festen Röhre, die hinten fortlaufend
abschmilzt und sich vorn wieder aufbaut."
(Aus: Scharf/Weber - Cytologie, Schroedel 1993)
Die Umwandlung des Plasmazustandes beruht auf der Interaktion
von Actin- und Myosinfilamenten, bei der ATP verbraucht wird.
Pantoffeltierchen kommen in Süßwasser häufig vor, aber auch in Pfützen und fauligem Wasser.
Das beobachtete Paramecium war kleiner als die Amöben - Pantoffeltierchen haben eine Größe von ca. 300 µm. Auffällig war auch hier die pulsierende Vakuole, die die gleiche Funktion hat wie bei der Amöbe. Lediglich die sternförmigen Zufuhrkanäle waren im Präparat nicht zu erkennen.
Tabelle der im Kurs beobachteten Kontraktionsfrequenzen der Vakuole:
Intervall [sec] 5 10 20 30 40 50 60 120 Anzahl Paramaecii 3 9 18 5 3 2 - -
Das Intervall ist bei den Paramecien deutlich kürzer als bei
den Amöben.
Eine gängige Hypothese ist, daß bei den kleinen
Pantoffeltierchen das Verhältnis Oberfläche / Volumen ungünstiger
ist und deshalb relativ mehr Wasser in die Zelle diffundieren
kann, was ein schnelleres Pulsieren der Vakuole notwendig macht.
Bei Paramecien ist das Außenplasma verdichtet, was ihnen eine
feste, jedoch elastische Gestalt gibt. Die Zellmembran ist im
Vergleich zur Amöbe kompliziert aufgebaut.
Wie bei der Amöbe waren auch hier die Zellkerne nicht zu
erkennen. Der Großkern reguliert den Zellstoffwechsel, der
Kleinkern trägt die genetische Information.
Paramecien bewegen sich durch Wimpernschläge vorwärts. Der
ganze Zellkörper ist mit kurzen Plasmafäden, den Cilien (Wimpern)
bedeckt. Im Präparat waren sie besonders deutlich am vorderen (spitz)
und hinteren Ende (stumpf) zu erkennen. Durch das fortwährende
rhythmische Schlagen der Wimpern kommt die Vorwärtsbewegung
zustande - gleichzeitig rotieren die Zellen noch um die Längsachse.
Die Wimpern des Mundfelds strudeln die Nahrung herbei. Sie wird
durch den Zellmund in die Nahrungsvakuole aufgenommen. Diese
Empfangsvakuole war im Präparat deutlich zu sehen, das Mundfeld
erschien als relativ große dunkle Fläche. Der eigentliche
Zellmund war nicht sichtbar.
Die gefüllten Nahrungsvakuolen wandern vom vorderen Teil der
Zelle zum hinteren. Auf dem Weg wird die Nahrung enzymatisch
verdaut. Unverdauliche Reste werden durch den Zellafter
ausgeschieden.
Die Cilien der Paramecien sind hauptsächlich aus Mikrotubuli
aufgebaut. Zwei zentrale, voneinander getrennte Tubuli, sind
jeweils von neun randlichen Gruppen aus je zwei Tubuli umgeben.
Bei ATP-Zufuhr werden die Mikrotubuli-Doppelringe gegeneinander
verschoben - es kommt zur Beugung des Ciliums.
Die Paramecien-Cilien schlagen nicht willkürlich, sondern nach
einem geordneten Muster.
Die Geißeln der Flaggellaten weisen den prinzipiell gleichen
Aufbau auf, sind jedoch länger. Auch die im menschlichen Körper
vorkommenden Cilien (z.B. Flimmer-epithel, Spermien) folgen
dieser Struktur, nicht jedoch die Bakteriengeißeln.
Die rot gefärbte Hefe wird von den Pantoffeltierchen sehr
schnell aufgenommen - und ist dann in großen Nahrungsvakuolen im
Cytoplasma zu sehen. Es war nicht genau zu erkennen, ob von
diesen großen Vakuolen kleinere abgeschnürt werden, oder ob das
Paramecium lediglich weitere Hefezellen in kleineren Vakuolen
aufgenommen hatte. Auch die Wanderung der Nahrungsvakuolen durch
die Zelle ließ sich kaum nachvollziehen.
Deutlich war jedoch nach ca. 5 min der Farbumschlag des
Vakuoleninhalts von rot nach blau zu erkennen, wobei sich zuerst
die kleineren Vakuolen verfärbten. Kongorot ist ein Indikator.
Bei pH 7 ist es rot, bei einem pH kleiner 5 ist es blau.
Das Milieu in den Nahrungsvakuolen wurde also saurer.
Bei einem pH-Wert von 5 werden die Verdauungsenzyme aktiviert. Außerhalb
der Vakuole (neutraler pH) sind sie inaktiv und somit für die
Zelle ungefährlich. Der Farbumschlag ist also ein Zeichen für
die beginnende Verdauung.
Nicht beobachtet werden konnte die Fortpflanzung der Einzeller.
Grundsätzlich geschieht dies durch einfache ungeschlechtliche
Teilung. Es sind jedoch auch geschlechtliche Vorgänge möglich,
wie z.B. der oben beschriebene Malariazyklus oder die Konjugation
bei Pantoffeltierchen.
Bei der Konjugation legen sich zwei Paramecien längs aneinander.
Ihr Großkern löst sich auf und nach Teilung des Kleinkerns
werden Tochterkerne ausgetauscht. Nach der Trennung entsteht ein
neuer Großkern.
Bei der einfachen Zellteilung findet keine Veränderung des
genetischen Materials statt - die Spezies bleibt kontinuierlich
auf einer Entwicklungsstufe. Verbesserungen können lediglich
durch spontane Mutationen entstehen.
Durch geschlechtliche Vorgänge ist der Austausch von genetischem
Material möglich: verbesserte Eigenschaften werden weitergegeben
und die Spezies kann sich wesentlich schneller weiterentwickeln.