Erstmals zeigt sich, dass Quallen aus vergangenen Erfahrungen lernen

Quallen sind fortgeschrittener als bisher angenommen. Eine neue Studie der Universität Kopenhagen hat gezeigt, dass Karibische Würfelquallen auf einem viel komplexeren Niveau lernen können als jemals gedacht – obwohl sie nur über tausend Nervenzellen und kein zentrales Gehirn verfügen. Der Befund verändert unser grundlegendes Verständnis des Gehirns und könnte uns über unser eigenes mysteriöses Gehirn aufklären.

Nach mehr als 500 Millionen Jahren auf der Erde ist der immense evolutionäre Erfolg der Quallen unbestreitbar. Dennoch haben wir sie immer als einfache Wesen mit sehr begrenzten Lernfähigkeiten betrachtet.

Die vorherrschende Meinung ist, dass ein fortgeschritteneres Nervensystem mit einem höheren Lernpotenzial bei Tieren einhergeht. Quallen und ihre Verwandten, zusammenfassend als Nesseltiere bekannt, gelten als die ersten lebenden Tiere, die ein Nervensystem entwickelt haben und über ein relativ einfaches Nervensystem und kein zentralisiertes Gehirn verfügen.

Seit mehr als einem Jahrzehnt erforscht der Neurobiologe Anders Garm Würfelquallen, eine Gruppe von Quallen, die allgemein dafür bekannt sind, zu den giftigsten Lebewesen der Welt zu gehören. Aber diese tödlichen Gelees sind auch aus einem anderen Grund interessant: Es stellt sich heraus, dass sie nicht ganz so einfach sind, wie einst angenommen wurde. Und das erschüttert unser gesamtes Verständnis darüber, wozu einfache Nervensysteme fähig sind.

„Früher ging man davon aus, dass Quallen nur die einfachsten Formen des Lernens bewältigen können, einschließlich Gewöhnung – also die Fähigkeit, sich an einen bestimmten Reiz zu gewöhnen, etwa ein konstantes Geräusch oder eine ständige Berührung. Jetzt sehen wir, dass Quallen noch viel mehr haben.“ „Sie haben eine verfeinerte Lernfähigkeit und können tatsächlich aus ihren Fehlern lernen. Und dadurch ihr Verhalten ändern“, sagt Anders Garm, außerordentlicher Professor am Fachbereich Biologie der Universität Kopenhagen.

Eine der fortschrittlichsten Eigenschaften eines Nervensystems ist die Fähigkeit, Verhalten aufgrund von Erfahrungen zu ändern – sich zu erinnern und zu lernen. Das Forscherteam unter der Leitung von Jan Bielecki von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und Anders Garm machte sich daran, diese Fähigkeit bei Würfelquallen zu testen. Die Ergebnisse wurden gerade in der Zeitschrift veröffentlicht Aktuelle Biologie.

Tausend Nervenzellen sind leistungsfähiger als bisher angenommen

Die Wissenschaftler untersuchten die karibische Würfelqualle Tripedalia cystophora, eine fingernagelgroße Meduse, die in karibischen Mangrovensümpfen lebt. Hier nutzen sie ihr beeindruckendes visuelles System mit 24 Augen, um zwischen Mangrovenwurzeln nach winzigen Ruderfußkrebsen zu suchen. Das Wurzelgeflecht ist nicht nur ein gutes Jagdrevier, sondern auch ein gefährlicher Ort für Gallerten mit weichem Körper.

Wenn sich die kleine Würfelqualle den Mangrovenwurzeln nähert, drehen sie sich um und schwimmen davon. Wenn sie zu früh abbiegen, haben sie nicht mehr genug Zeit, um Ruderfußkrebse zu fangen. Doch wenn sie sich zu spät umdrehen, besteht die Gefahr, dass sie gegen die Wurzel stoßen und ihre gallertartigen Körper beschädigen. Daher ist die Einschätzung von Entfernungen für sie von entscheidender Bedeutung. Und hier ist der Kontrast der Schlüssel, wie die Forscher herausfanden:

„Unsere Experimente zeigen, dass der Kontrast, also wie dunkel die Wurzel im Verhältnis zum Wasser ist, von den Quallen genutzt wird, um Entfernungen zu Wurzeln abzuschätzen, die es ihnen ermöglichen, im richtigen Moment wegzuschwimmen. Noch interessanter ist dieser Zusammenhang.“ „Abstand und Kontrast ändern sich aufgrund von Regenwasser, Algen und Wellengang täglich“, sagt Anders Garm.

„Wir können sehen, dass Würfelquallen mit jedem neuen Jagdtag aus den aktuellen Kontrasten lernen, indem sie visuelle Eindrücke und Empfindungen bei fehlgeschlagenen Ausweichmanövern kombinieren. Obwohl wir also nur eintausend Nervenzellen haben – unser Gehirn hat etwa 100 Milliarden – Sie können zeitliche Konvergenzen verschiedener Eindrücke verbinden und einen Zusammenhang erlernen – oder was wir assoziatives Lernen nennen. Und sie lernen tatsächlich so schnell wie fortgeschrittene Tiere wie Fruchtfliegen und Mäuse.“

Die neuen Forschungsergebnisse brechen mit bisherigen wissenschaftlichen Vorstellungen darüber, wozu Tiere mit einfachen Nervensystemen fähig sind:

„Für die grundlegende Neurowissenschaft ist das eine ziemlich große Neuigkeit. Es bietet eine neue Perspektive darauf, was mit einem einfachen Nervensystem gemacht werden kann. Dies deutet darauf hin, dass fortgeschrittenes Lernen von Anfang an einer der wichtigsten evolutionären Vorteile des Nervensystems gewesen sein könnte.“ „, sagt Anders Garm.

Auf der Suche nach den Gehirnzellen, in denen das Gedächtnis untergebracht ist

Das Forschungsteam hat auch gezeigt, wo das Lernen bei diesen Würfelquallen stattfindet. Dies hat ihnen einzigartige Möglichkeiten eröffnet, die genauen Veränderungen zu untersuchen, die in einer Nervenzelle auftreten, wenn sie an fortgeschrittenem Lernen beteiligt ist.

„Wir hoffen, dass dies ein Supermodellsystem für die Untersuchung zellulärer Prozesse beim fortgeschrittenen Lernen aller Arten von Tieren werden kann. Wir sind jetzt dabei, genau zu bestimmen, welche Zellen am Lernen und der Gedächtnisbildung beteiligt sind. Dabei haben wir Wir werden in der Lage sein, hineinzugehen und zu beobachten, welche strukturellen und physiologischen Veränderungen in den Zellen auftreten, wenn das Lernen stattfindet“, sagt Anders Garm.

Wenn es den Wissenschaftlern gelingt, die genauen Mechanismen, die bei Quallen am Lernen beteiligt sind, zu bestimmen, wird der nächste Schritt darin bestehen, herauszufinden, ob dies speziell auf Gelees zutrifft oder ob es bei allen Tieren zu finden ist.

„Irgendwann werden wir bei anderen Tieren nach denselben Mechanismen suchen, um zu sehen, ob das Gedächtnis im Allgemeinen so funktioniert“, sagt der Forscher.

Dieses bahnbrechende Wissen könnte laut Anders Garm für vielfältige Zwecke genutzt werden.

„Etwas so Rätselhaftes und ungeheuer Komplexes wie das Gehirn zu verstehen, ist an sich schon eine absolut erstaunliche Sache. Aber es gibt unvorstellbar viele nützliche Möglichkeiten. Ein großes Problem in der Zukunft werden zweifellos verschiedene Formen der Demenz sein. Ich behaupte nicht, dass wir etwas finden.“ „Das ist das Heilmittel gegen Demenz, aber wenn wir besser verstehen, was Gedächtnis ist, was ein zentrales Problem bei Demenz ist, können wir möglicherweise einen Baustein legen, um die Krankheit besser zu verstehen und ihr vielleicht entgegenzuwirken“, schließt der Forscher.

Über Tripedalia cystophora

Die Forscher stellten die Bedingungen in Mangrovensümpfen im Labor nach, wo Würfelquallen in einer Verhaltensarena platziert wurden. Hier manipulierten die Forscher das Verhalten von Quallen, indem sie die Kontrastbedingungen änderten, um zu sehen, welche Auswirkungen dies auf ihr Verhalten hatte.

Sie erfuhren, dass das Lernen von Quallen durch gescheiterte Ausweichmanöver erfolgt. Das heißt, sie lernen, indem sie Kontraste falsch interpretieren und auf Wurzeln stoßen. Hier kombinierten sie den visuellen Eindruck und den mechanischen Schock, den sie bekamen, wenn sie auf eine Wurzel stießen – und lernten so, wann sie weggehen sollten.

„Unsere Verhaltensexperimente zeigen, dass drei bis fünf gescheiterte Ausweichmanöver ausreichen, um das Verhalten der Qualle so zu ändern, dass sie nicht mehr auf die Wurzeln trifft. Interessant ist, dass das ungefähr die gleiche Wiederholungsrate ist, die eine Fruchtfliege oder eine Maus lernen muss.“ sagt Anders Garm.

Das Lernen wurde durch Elektrophysiologie und klassische Konditionierungsexperimente weiter verifiziert, die auch zeigten, wo im Nervensystem der Qualle das Lernen stattfindet.

Die Studie wurde von Jan Bielecki von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und Anders Garm, Sofie Katrine Dam Nielsen und Gösta Nachman vom Fachbereich Biologie der Universität Kopenhagen durchgeführt.