Studie zeigt, dass Plankton UV-Lichtsensoren nutzt, um Druckänderungen zu erkennen und zu verhindern, dass es weggeschwemmt wird

Forscher haben herausgefunden, wie im Meer lebendes Plankton auf Druckänderungen reagiert und sich mithilfe winziger Vorsprünge, sogenannter Flimmerhärchen, durch das Wasser bewegt.

Die Forschungvorgestellt in eLifeals rezensierter Vorabdruck, wurde von den Herausgebern als grundlegende Studie beschrieben, die sich mit der Frage befasst, wie bestimmte Zooplanktonarten ihre Bewegungsrichtung als Reaktion auf Druck ändern – ein Phänomen, das als Barotaxis bekannt ist.

Die Autoren liefern überzeugende Beweise dafür, dass bei der Barotaxis UV-Lichtsensoren in den Zellen beteiligt sind, die mit Motoneuronen im Gehirn interagieren, um das rhythmische Schlagen der Flimmerhärchen zu aktivieren. Die Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie Meeresplankton gegensätzliche Umweltreize wahrnimmt und unterschiedlich darauf reagiert, sodass es den optimalen Lebensraum etwa 0–20 m unter dem Meer finden kann.

Der hydrostatische Druck nimmt zu, wenn das Wasser tiefer wird, und dieser Druck kann Plankton unabhängig von der Lichtverfügbarkeit oder der Tageszeit Informationen über die Tiefe liefern. Es ist bekannt, dass viele Meeresorganismen den Wasserdruck wahrnehmen und darauf reagieren, sie verwenden jedoch völlig unterschiedliche Mechanismen zur Druckerfassung.

„Fische haben gasgefüllte Schwimmblasen, die es ihnen ermöglichen, Druck zu spüren, und einige Krabbenarten haben winzige Haare, von denen man annimmt, dass sie als Druckdetektoren fungieren“, erklärt Hauptautor Luis Bezares-Calderón, Postdoktorand am Living Systems Institute der University of Exeter , Großbritannien „Es ist nicht bekannt, welcher der verschiedenen Drucksensormechanismen, die im Meeresleben vorkommen, von viel kleineren Planktontieren genutzt wird, wenn überhaupt.“

Um dieses Problem anzugehen, verwendete das Team Larven eines Meereswurms namens Platynereis dumerilii, die mit einem Band winziger Flimmerhärchen ausgestattet sind, mit denen sie schwimmen. Die Larven schlagen ihre Flimmerhärchen, um zwischen verschiedenen Wassertiefen auf und ab zu schwimmen, wo sie sich schließlich auf Seegraswiesen in Küstennähe niederlassen. Der Mechanismus, durch den die Larven durch Licht in ihrer Umgebung geführt werden, ist gut verstanden, was es zu einem idealen Modell macht, um mehr über die Wahrnehmung des Wasserdrucks zu lernen.

Um zu überwachen, wie die Planktonlarven auf Druck reagieren, baute das Team speziell eine Wasserkammer, in der es den Wasserdruck präzise steuern konnte. Sie fanden heraus, dass die Larven auf erhöhten Druck reagieren, indem sie schneller und in einer geraderen Flugbahn nach oben schwimmen.

Höhere Druckniveaus führten dazu, dass sich die Larven weiter nach oben in der Kammer bewegten und die Geradlinigkeit ihres Schwimmens zunahm. Darüber hinaus hing die Zunahme des Aufwärtsschwimmens direkt mit dem Ausmaß des erhöhten Drucks zusammen, was darauf hindeutet, dass die Larven eher Änderungen im Wasserdruck als ein bestimmtes Druckniveau wahrnehmen.

Um den Mechanismus dieser Veränderung im Schwimmverhalten zu verstehen, untersuchte das Team die Wirkung von Druck auf die Geschwindigkeit, mit der die Larven ihre Flimmerhärchen schlagen. Sie fanden heraus, dass die durchschnittliche Schlagfrequenz zunahm, sobald mehr Druck ausgeübt wurde – was darauf hindeutet, dass die Larven auf höheren Druck reagieren, indem sie ihre Flimmerhärchen nutzen, um sie nach oben zu treiben.

Wie spüren sie diese Druckveränderung? Um druckempfindliche Zellen zu identifizieren, nutzte das Team Bildgebung und einen Fluoreszenzmarker, um die Nervenaktivität unter einem Mikroskop zu untersuchen. Dadurch wurde eine Gruppe von vier Zellen in der Mitte des Gehirns identifiziert, die bei steigendem Druck eine erhöhte Nervenaktivität aufwiesen. Diese Zellen ähnelten in Form, Anzahl, Größe und Position den zuvor identifizierten „Photorezeptor“-Zellen, die dem Plankton helfen, auf Licht zu reagieren.

„Dies führte uns zu der unerwarteten Entdeckung, dass Lichtrezeptoren in den Zilien, von denen zuvor gezeigt wurde, dass sie sowohl gegenüber UV- als auch gegenüber grünem Licht empfindlich sind, auch durch Druck aktiviert werden“, sagt Bezares-Calderón. „Das deutet darauf hin, dass ein einzelner Zelltyp Signale von Licht und Druck integrieren könnte, wobei UV-Licht das Plankton dazu bringt, vom Licht weg nach unten zu schwimmen, und erhöhter Druck es dazu bringt, nach oben zu schwimmen.“

Das Team versuchte dies zu bestätigen, indem es ein essentielles Gen namens Opsin in den Photorezeptorzellen entfernte. Wie erwartet reagierten Larven ohne Opsin viel weniger auf die Druckreize und wiesen Defekte in den sensorischen Flimmerhärchen auf.

Die verbleibende Frage war, wie die Photorezeptorzellen Drucksignale in die physikalische Bewegung der Flimmerhärchen umwandeln. Dank einer vorhandenen Gehirnverdrahtungskarte der Planktonlarven fanden sie einen möglichen Zusammenhang mit dem Serotonin-Signalsystem des Gehirns. Als sie diese Signalübertragung blockierten, dämpfte dies die Druckreaktion und zeigte, dass das Serotonin-Signalisierungsnetzwerk die Drucksensoren des Planktons mit der daraus resultierenden physikalischen Schwimmreaktion verknüpft.

„Unsere Arbeit liefert Einblicke in die Mechanismen der Druckempfindung und -reaktion in einer marinen Planktonlarve“, schlussfolgert der leitende Autor Gáspár Jékely, Professor für Molekulare Organismenbiologie am Zentrum für Organismenstudien der Universität Heidelberg.

„Es deutet darauf hin, dass Druckanstiege – sei es durch das Absinken oder Tauchen der Larven selbst oder durch absteigende Strömungen – sensorische Photorezeptorzellen aktivieren, was dazu führt, dass die Flimmerhärchen schneller schlagen, und zwar proportional zur Stärke des Drucks.“

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Plankton über eine einzelne Sinneszelle äußere Licht- und Druckreize empfängt und diese Reize dann im Gehirn divergieren, um verschiedene Schwimmverhaltensweisen auszulösen, die das Plankton zurück in eine optimale Position im Wasser führen.“