Wie Forscher Schleimhäuser ausspionieren

Neuartige Laser-Technologie lässt uns erstmals in die Schleimbauten von Tiefsee-Tieren spähen - und könnte die ganze Disziplin revolutionieren. Von Susanne Wedlich

©2002 MBARI Große Appendikulare mit in Kammern unterteiltem Schleimhaus

Der Ozean, unendliche Welten. Wir schreiben das Jahr 2020 und eine neuartige Laser-Technologie könnte uns nun irdische Aliens näherbringen. Gemeint sind die bizarren Bewohner der Dämmerzone des Meeres, der dunklen und eiskalten Schicht zwischen der lichtdurchfluteten Oberfläche der Ozeane und dem festen Meeresgrund. Wer hier im offenen Wasser lebt, muss sich ohne Unterschlupf unsichtbar machen und einen hohen Wasserdruck tolerieren können.

Dabei kann Schleim helfen. Das Material gehört zu den Hydrogelen, besteht also fast nur aus Wasser und verhält sich physikalisch in mancherlei Hinsicht auch so. Im Meer verschwimmen viele gelatinöse Tiere und ihre Schleimkonstrukte deshalb optisch mit der Umgebung und können selbst dem Wasserdruck der Tiefsee widerstehen. Die Forschung aber scheitert oft am Schleim, sind die durchsichtigen Tiere doch kaum aufzufinden und nicht selten zu fragil für herkömmliche Analysen.

Wenn sich Manteltiere enthüllen müssen

Die Bioingenieurin Kakani Katija vom Monterey Bay Aquarium Research Institute in Kalifornien macht dennoch Jagd auf Appendikularien. Diese Manteltiere ähneln Kaulquappen, weil sie nur aus Kopf und Schwanz bestehen. Dabei erreichen selbst die größten Vertreter, die Bathochordaeus-Arten, nur eine Körperlänge von bis zu zehn Zentimetern. Sie residieren aber in einem deutlich größeren Haus aus Schleim, das sie selbst produzieren. Mit seinen aneinandergereihten Kammern erinnert es an eine enggefaltete Halskrause. Umgeben ist es von einem noch größeren Schleimhaus, das weniger geordnet ist, dafür aber über einen Meter messen kann.

Eine Appendikulare wird mit ihrem Schleimhaus beleuchtet.
Dieses Bild zeigt das innere und sehr viel größere äußere Haus einer großen Appendikularie (links) sowie den Laser und die Kamera des DeepPIV-Systems (unten rechts).
@MBARI

Es war bereits bekannt, dass die Tiere in ihrer doppelten Schleimfestung rhythmisch mit dem Schwanz schlagen, um beständig Wasser durch das innere Haus zu pumpen. Darin enthaltene Nahrungspartikel werden über die Kammern ausgesiebt und immer höher konzentriert, bis sie vom Tier verschlungen werden. Wie aber funktioniert dieser Hochleistungsfilter genau? Die Architektur des inneren Schleimhauses mit den vielen Kammern ließ sich trotz seiner fast durchsichtigen Wände weder erahnen noch so einfach am Objekt selbst entschlüsseln. Denn dazu müsste man es erst einmal erwischen - und erhalten.

„Wenn die Tiere zu sehr bedrängt werden oder ihre Häuser verstopfen, lassen sie sie zurück und schwimmen davon“, berichtet mir Kakani Katija per E-Mail. „Mit Netzen können wir die Tiere zwar mit den Schleimhäusern einsammeln, aber beide sind am Ende nicht mehr zu identifizieren.“ Und an Land bleibt auch kaum was von den fragilen Fltern übrig: „Nimmt man sie aus dem Wasser, verklumpen sie. Die Kammern kollabieren und kleben zusammen.“ Nur im Meer und bei laufendem Betrieb ist die Struktur stabil, weil das durch die Kammern gepumpte Wasser ausreichend Druck erzeugt.

Eintauchen in Schleimhäuser

Das bedeutet aber auch, dass diie architektonische Analyse vor Ort geschehen muss, also in der Tiefe des Ozeans. Das Team um Kakani Katija entwickelte dafür eigens das Laser-Verfahren DeepPIV, das die Tiere mitsamt ihren Schleimbauten in Schichten durchleuchtet. Ähnlich wie bei einer Computertomografie können sie auf diese Weise hochaufgelöste Einzelbilder aufnehmen. Zusammengesetzt ergeben diese dann eine Rekonstruktion des Tieres und seines inneren Hauses als 3D-Modell.

Katijas Gerät ging mehrfach mit dem ferngesteuerten Unterwasserfahrzeug ROV (remotely operated vehicle) auf Tauchgang, um große Bathochordaeus-Vertreter aufzunehmen. Die anschließende Analyse enthüllte endlich die verborgene Architektur der inneren Schleimhäuser mit Passagen, Ventilen sowie diversen Kammern. In einer davon ist das Tier weich auf Schleim gebettet und schlägt mit dem Schwanz, dessen Momentum von den enganliegenden Wänden der Kammer übernommen und weitergeleitet wird, um Wasser durch das Haus zu pumpen.

Ein Video der 3D-Rekonstruktion einer großen Appendikularie
Dieses Video zeigt erstmals eine 3D-Rekonstruktion einer großen Appendikularie. Dabei wird die komplexe Struktur des inneren Filters enthüllt. Das Video entstand in Kooperation mit dem Digital Life Projekt der University of Massachusetts.
@2020 MBARI

Dabei wird der Wasserstrom aufgeteilt und über zwei Passagen durch die Kammern geleitet. Es ist ein Parcours, bei dem sich die Nahrungspartikel immer weiter anreichern und schließlich in dichter Suspension beim Kopf des Tieres ankommen. Das äußere Haus wiederum erwies sich selbst für die Rekonstruktion per DeepPIV als nicht gut geeignet. Soviel aber lässt sich spekulieren: Das grobmaschige Schleimnetz fängt wahrscheinlich große Partikel ab, damit sie das feinmaschige innere Haus nicht schädigen können.

Vielleicht macht es die Tiere aber auch unsichtbar: In der dunklen Tiefsee spüren mechanosensitive Räuber ihre Beute über deren Bewegungen auf. Ein schlagender Schwanz könnte hier ein fatales Signal aussenden und unerwünschte Gäste ins Schleimhaus locken. Nach den Berechnungen der Forscher wird die Bewegung des verdächtigen Wasserstroms durch den Schutzschild aber massiv gedämpft. Es ist zudem denkbar, dass das äußere Haus die Waffen von gelatinösen Fressfeinden wie den Staatsquallen entschärft, indem es deren giftige Nesselzellen abfängt.

Schleimige Fressmaschinen

Die detaillierten Funktionen dieser raffinierten Konstrukte sind nicht nur von akademischem Interesse. Schließlich könnten uns die Schleimhäuser der Appendikularien künftig Anregungen für bioinspirierte Pump- und Filtrationssysteme liefern. Die Tiere sind aber auch wegen ihrer ökologischen Bedeutung relevant. Schließlich vertilgen sie alles, vom Bakterium bis zum kleinen Planktontierchen, mischen also bei mehreren ozeanischen Nahrungsnetzen mit. Das schlägt zu Buche, weil sie extrem häufig und global weitverbreitet sind – also eine gigantische Menge organisches Material umsetzen.

Der Ertrag wiederum wird auch in die komplexen Schleimkonstruktionen investiert, die überraschend häufig ersetzt werden. Im Schnitt produzieren diese großen Appendikularien jeden Tag ein neues Haus, möglicherweise weil die Filter schon nach kurzer Zeit verstopfen. Als Folge davon sinken unablässig Schleimruinen zum Meeresboden. Sie sind eine Nahrungsquelle in den tieferliegenden Schichten. Ihr Absinken ist aber auch klimafreundlich, weil damit viel Kohlenstoff in der Tiefe landet, der dann lange Zeit nicht  als Treibhausgas in die Atmosphäre gelangen kann.

Die Geheimnisse der Dämmerungszone

Wer all diese Zusammenhänge im Detail verstehen möchte, muss zuerst aber die Appendikularien und die noch immer mysteriöse Produktion ihrer Schleimhäuser entschlüsseln. Ein Vergleich: Spinnen bauen ihre Netze Strang für Strang auf. Die Appendikularien dagegen sekretieren ihre Häuser als rudimentäres Ganzes, das erst in einem zweiten Schritt expandiert und seine endgültige Form annimmt. Noch weiß keiner, wie das gelingt, und auch sonst birgt die Dämmerungszone noch viele Geheimnisse.

Dazu gehören unter anderem die vielen noch kaum erforschten Organismen, die in diesem fremdartigen Lebensraum von jeweils maßgeschneiderten Schleimkonstruktionen abhängen. Dank der neuen Laser-Technologie könnten sie nun wie die Appendikularien erstmals richtig sichtbar gemacht werden. „Ich bin überzeugt, dass noch mehr hochkomplexe Strukturen existieren können, die nur noch nicht beobachtet wurden“, so Katija. „Unsere Ozeane sind so wenig erforscht, dass das definitiv möglich ist.“

Ob die gallertigen Tiere nun also mehr in den Fokus rücken? Es wäre nicht das erste Mal. Der Meeresbiologie Stephen Haddock erinnerte schon vor einigen Jahren an die Zeit ab der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts, als sich Forschung und Öffentlichkeit gleichermaßen für die marinen „Gelata“ begeisterten. Die Faszination für die empfindlichen Schönheiten fand dann aber mit der Industrialisierung der Meeresbiologie ein Ende. Denn jetzt fischten feste Netze große Mengen Plankton auf einmal aus dem Meer, eine unsanfte Prozedur, die die Gelata nicht überstanden.

Eine Goldene Ära der Schleimer?

Haddock sagte eine weitere Goldene Ära für die Tiere voraus: Schließlich zeichnete sich ihre lang unterschätzte Relevanz im Ökosystem Ozean immer deutlicher ab. Und neue Technologien würden ihnen künftig viel schleimschonender zu Leibe rücken, so die Prognose. Könnte dieser Aufbruch nun begonnen haben? „Absolut!“, meint Katija. „Eine der größten Herausforderungen für die Erforschung der Gelata ist, sie effektiv zu beschreiben und mit der Gemeinschaft der Wissenschaftler sowie der zu teilen. Hoffentlich trägt unsere Technik dazu bei.“

Appendikularie mit Schleimhaus wird vonLaserlicht beleuchtet
Rötliches Laserlicht des DeepPIV-Systems beleuchtet eine große Appendikularie.
@2018 MBARI
Bioingenieurin Kakani Katija im Kontrollraum eines Forschungsschiffs
Die Bioingenieurin Kakani Katija kontrolliert von einem Forschungsschiff aus das Unterwasservehikel, während das DeepPIV-System eine große Appendikulare beleuchtet.
Das in 3D rekonstruierte innere Haus einer großen Appendikulare
Erstmals lassen sich die Schleimhäuser der großen Appendikularien in 3D rekonstruieren. Hier ist der Filterbau mit den Gängen für das Wasser in seinem Inneren zu sehen.
@2020 MBARI
Querschnitt des Schleimhauses einer großen Appendikularie
Rekonstruktion des inneren Schleimhauses einer großen Appendikularie. Das Tier ist blau in der Mitte zu sehen und sein Schleimhaus angeschnitten, um die Gänge zu zeigen.
@2020 MBARI
Schema, wie DeepPIV-Laserlicht Schleimhäuser durchleuchtet
Diese Illustration zeigt, wie das Laserlicht des DeepPIV-Systems das innere Schleimhaus durchschneidet und dabei beleuchtet.
@2020 MBARI
Diese Illustration zeigt MBARIs MiniROV, der ein DeepPIV-System trägtl. Es beleuchtet ein inneres Schleimhaus rot, das vom deutlich größeren zweiten Schleimhaus umgeben ist.
Diese Illustration zeigt MBARIs MiniROV, der ein DeepPIV-System trägtl. Es beleuchtet ein inneres Schleimhaus rot, das vom deutlich größeren zweiten Schleimhaus umgeben ist.
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