Zu viel des Guten ist überhaupt nicht gut. Lebende Organismen genießen Sonnenlicht – tatsächlich brauchen sie es, um am Leben zu bleiben –, meiden jedoch zu helles Licht. Tiere gehen in ihren Unterschlupf, Menschen machen Mittagsschlaf und sogar Pflanzen verfügen über Mechanismen, um eine Überdosis Licht zu vermeiden. Doch wie gehen unbewegliche Einzeller mit zu intensivem Licht um? Forscher der Universität Amsterdam haben die überraschende Antwort entdeckt.
Sein vollständiger wissenschaftlicher Name ist Pyrocystis lunula. Sie haben vielleicht noch nie von dieser einzelligen Alge gehört, aber Segler und Fischer kennen ihre Wirkung sehr gut: Die P. lunula-Algen sind die Organismen, die das Meer gelegentlich blau leuchten lassen. P. lunula ist ein Beispiel für einen Dinoflagellaten – ein einzelliger Organismus, der sich nicht selbstständig fortbewegen kann. Seine Hauptenergiequelle ist Sonnenlicht: Ähnlich wie Pflanzen nutzt es eine Struktur namens Chloroplasten, um Energie aus Sonnenlicht in nutzbare chemische Energie umzuwandeln.
Die Pflanzen um uns herum nutzen eine clevere Strategie, wenn sie zu hellem Licht ausgesetzt sind: Ihre Chloroplasten ordnen sich innerhalb ihrer Zellen neu an und bedecken sich gegenseitig, sodass nur die nötige Lichtmenge absorbiert wird und es zu einer Schädigung der Zellen kommt verhindert.
P. lunula kann nicht dieselbe Strategie anwenden: Die Chloroplasten sind in Form eines komplexen Netzwerks organisiert, was eine andere Bewegungsform erfordert, um hellem Licht auszuweichen. Darüber hinaus können sich die Algen nicht so einfach vom Licht entfernen, wie es bei Tieren und Menschen der Fall ist. Wie es diesen Organismen gelingt, mit übermäßigen Lichtmengen umzugehen, war ein wissenschaftliches Rätsel. Ein Rätsel, das nun gelöst ist.
Ein flexibler Chloroplast
Die Biophysiker Nico Schramma, Gloria Casas Canales und Maziyar Jalaal haben eine clevere Methode entwickelt, um zu untersuchen, was genau mit dem Chloroplasten von P. lunula passiert, wenn er Licht ausgesetzt wird. Mithilfe der Mikroskopie nahmen sie Filme der Zelle und ihres Chloroplasten auf und passten dann mithilfe von Computeralgorithmen ein Netzwerk aus Knoten und Kanten an ihre komplexe Form an. Indem sie dies unter Bedingungen wechselnder Lichtfarbe und -intensität taten, konnten sie genau verfolgen, was der Chloroplast der Zelle tat.
Die Forscher fanden heraus, dass der Chloroplast zwar intensivem Licht nicht entkommen kann, seine Wirkung jedoch durch Schrumpfen minimieren kann. Wenn der Chloroplast der Zelle hellem weißem Licht ausgesetzt wird – im Wesentlichen dem Licht eines sonnigen Nachmittags –, schrumpft er zu einer Kugel zusammen und verringert seine Größe innerhalb von fünf Minuten um etwa 40 %. Als die Lichtverhältnisse auf schwaches rotes Licht umgestellt wurden, hatte der Chloroplasten innerhalb einer halben Stunde wieder seine ursprüngliche Größe und Form angenommen.
Es wurde festgestellt, dass die Struktur, die es dem Chloroplasten ermöglicht, diese notwendigen Veränderungen vorzunehmen, ein Netzwerk aus dünnen Filamenten ist. Zusammen bilden diese Filamente ein Material, das sich leicht in alle Richtungen zusammenziehen und ausdehnen kann.
Der entscheidende Punkt ist „in alle Richtungen“ – die meisten Strukturen, die wir in der Natur finden, haben diese Eigenschaft nicht. Treten Sie auf eine Zitrone, nimmt ihre Höhe drastisch ab, in die andere Richtung nimmt sie jedoch zu und verwandelt sie in ein scheibenförmiges Objekt, das immer noch eine beträchtliche Oberfläche hat. P. lunula schafft es, dieses natürliche Verhalten zu vermeiden.
Die Forschung ist veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Die Hoberman-Sphäre der Natur
Die Struktur, die es dem Chloroplasten ermöglicht, in alle Richtungen kleiner zu werden, ähnelt in gewisser Weise der einer Hoberman-Kugel – ein Design, das 1988 von Chuck Hoberman patentiert wurde und in beliebten Kinderspielzeugen verwendet wird. Diese Beobachtung verbindet die Forschung der Physiker nicht nur mit der Biologie, sondern auch mit der Mathematik – genauer gesagt dem Zweig der Mathematik, der als Topologie bekannt ist – und dem Materialdesign.
Im Labor hergestellte Materialien, die genau die überraschenden Eigenschaften aufweisen, die die Hoberman-Kugel und der Chloroplast von P. lunula aufweisen, wurden in letzter Zeit intensiv mit Blick auf verschiedenste Anwendungen untersucht – zum Beispiel als „intelligente Materialien“, die ihre Eigenschaften bei äußerer Einwirkung deutlich verändern Reize. Überraschenderweise gibt es die cleveren Lösungen, die Ingenieure und Physiker im Labor finden, auch in der belebten Natur.
Wenn eine einzelne wissenschaftliche Frage beantwortet wird, folgen manchmal viele weitere Antworten und Entdeckungen. Dies gilt möglicherweise für die Frage, wie es P. lunula und anderen Dinoflagellaten gelingt, helles Licht zu meiden.
Seine Antwort verrät uns nicht nur mehr über diesen winzigen einzelligen Organismus, der gelegentlich das Meer blau leuchten lässt – es lehrt uns auch etwas über Strukturen in der Natur, darüber, wie sie komplizierte Mathematik anwenden, und lehrt uns wertvolle Lektionen, die wir bei der Gestaltung unserer eigenen anwenden können neue Materialien.
Weitere Informationen:
Nico Schramma et al., Lichtregulierte Chloroplastenmorphodynamik in einem einzelligen Dinoflagellaten, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2411725121