StartseiteHier wohnen Drachen

Schwämme bauen anders

Von / 3. Oktober 2015 / 11 Kommentare
Mehr

Wenn wir in der Technik komplexe Dinge zusammensetzen, dann fertigen wir zunächst mal Einzelteile, transportieren die an ihren Bestimmungsort und setzen sie dort zusammen. Denkt beispielsweise an ein Stahlgerüst auf einer Baustelle – niemand würde auf die Idee kommen, die Stahlträger vor Ort herzustellen. Skelette dagegen werden anders gebaut, nämlich direkt vor Ort. Knochenbau-Zellen (Osteoblasten genannt) lagern sich an einem bereits vorhandenen Knochenelement an und scheiden eine Kollagenmatrix und ein paar Enzyme aus, die dafür sorgen, dass das Kollagen mit einer Keramik verstärkt und zu Knochen wird. (Details zum Knochenbau habe ich hier beschrieben.) Ähnlich ist es auch bei anderen Tieren, die eine skelettartige Struktur haben, auch dort werden die Komponenten direkt vor Ort quasi in einem Schritt gefertigt und direkt eingebaut.

Es gibt allerdings eine Ausnahme: Schwämme. Schwämme haben ein Skelett, das aus nadelförmigen Bausteinen besteht, die Spicula genannt werden. Die Spicula bestehen aus Kalziumcarbonat (so wie auch Muschelschalen) oder aus Siliziomoxid. Solche Spicula gibt es in vielen verschiedenen Formen und Anordnungen, hier mal ein Bild von Wikipedia:

Demospongiae spicule diversity.png
“Demospongiae spicule diversity” by Rob W. M. Van Soest, Nicole Boury-Esnault, Jean Vacelet, Martin Dohrmann, Dirk Erpenbeck, Nicole J. De Voogd, Nadiezhda Santodomingo, Bart Vanhoorne, Michelle Kelly, John N. A. Hooper – Van Soest RWM, Boury-Esnault N, Vacelet J, Dohrmann M, Erpenbeck D, et al. (2012) Global Diversity of Sponges (Porifera). PLoS ONE 7(4): e35105. doi:10.1371/journal.pone.0035105. Licensed under CC BY 2.5 via Commons.

Ephydatia fluviatilis ist ein Schwamm, der zu den Hornkieselschwämmen gehört. Seine Spicula bestehen aus Siliziumdioxid – dem gleichen Material, das auch Sand oder Quarzkristalle formt. (Manchmal spricht man auch von Kieselsäure, aber an einem Siliziumdioxid ist nichts sauer, soweit ich sehe, weil es keine Protonen abgeben kann…) E. fluviatilis kann sich asexuell vermehren, indem er einen kleinen Klumpen Stammzellen abspaltet, die dann zu einem neuen Schwamm werden. (Achtung: Ich bin keine Schwammologin (oder wie die entsprechenden Expertinnen heißen) – insofern kann es durchaus sein, dass ich hier Dinge zu stark vereinfache oder etwas nicht ganz korrekt darstelle. Wie üblich übernehme ich keine Haftung, wenn ihr durch die Prüfung fallt, weil ihr Sachen aus diesem Artikel erzählt.)

An so einem neu entstehenden Mini-Schwamm kann man den Aufbau des Spicula-Skeletts gut studieren. Und genau das ist jetzt sehr detailliert geschehen. Die Spicula stecken in einer Verankerung aus Kollagen und ragen von dort aus nach oben, wo sie die äußere Hülle des Schwamms stützen. Diese Schema-Zeichnung zeigt, wie das in etwa aussieht:

sponge1

Aus Nakayama et al., s.u.

Die länglichen Striche sind die Spicula, die Kleeblattartigen lila Dinger sind Zellen des Epithels (also der unteren Basis-Schicht an Zellen, sozusagen die Unterseite des Schwamms, wenn ich das richtig verstehe), und die roten Dinger kriegen wir später.

Die Spicula werden allerdings beim Schwamm nicht direkt da aufgebaut, wo sie gebraucht werden – das sieht man schon in der Schema-Zeichnung, wo ja viele Spicula nutzlos flach am Boden rumliegen. Vielmehr werden sie (von sogenannten Sclerocyten) erst hergestellt und erst dann an ihren Bestimmungsort transportiert. Nachdem sie dort angekommen sind, werden sie dann aufgerichtet, so dass sie den Schwamm stützen können.

Sehr schön kann man das in den Videos zum Paper sehen – leider ist es mir aber nicht gelungen, diese Videos zum Einbetten zu finden. Deshalb klickt ihr am besten einmal hier, um sie euch anzuschauen. Zur Not tut es aber auch dieses statische Bild aus dem paper:

sponge3

Aus Nakayama et al., s.u.

Das Bild (oder das erste Video) zeigt den Aufbau der Spicula in einer Seitenansicht – man sieht (im Video) sehr schön, wie ein Spiculum erst durch die Gegend transportiert und dann aufgerichtet wird.

Im zweiten Video seht ihr den Transport der Spicula durch den Schwamm.Hier ein Bild, dass die Bewegung der Spicula zeigt – die Bahnen, auf denen sie transportiert werden, sind farbig markiert:

sponge4

Aus Nakayama et al., s.u.

Dabei fällt auf, dass die Bewegung nicht besonders zielgerichtet ist, sondern eher stochastisch.

Im dritten Video seht ihr schließlich Zellen, die an so einem Spiculum drankleben:

sponge5

Aus Nakayama et al., s.u.

Diese Zellen (das sind jetzt die roten Dinger oben aus dem Bild) sind quasi die Lastwagen im Schwamm – sie transportieren die Spicula von ihrem Entstehungsort ans Ziel. Zusätzlich richten sie die Zellen dann auch noch auf (wobei noch unklar ist, wie sie das genau machen).

Der gesamte Prozess wird im graphischen Abstract des papers sehr schön zusammengefasst:

sponge2

Aus Nakayama et al., s.u.

Oben seht ihr den Anfangszustand, in der Mitte den Prozess des Skelettaufbaus. Die Zellen transportieren die Spicula und pieksen sie in die äußere Hülle des Schwamms. Anschließend wird jedes Spiculum dann an der Unterseite mit Kollagen einzementiert (von den lila Kleeblatt-Epithel-Zellen), damit es auch fest sitzt.

Warum die Schwämme ihr Skelett auf diese Weise aufbauen, ist unklar. Die Autorinnen spekulieren, dass dieser Aufbau es den Schwämmen leichter macht, sich an die Umwelt anzupassen. Schwämme wachsen je nach Umgebungsbedingungen in ganz unterschiedlichen Größen und Formen. Ein flexibles “Baukasten”-System, bei mal mehr und mal weniger stützende Spicula eingebaut werden können, würde den Schwämmen eine Anpassung an die Umwelt möglicherweise erleichtern.

Auf jeden Fall ist das Schwamm-Skelett damit die einzige bekannte Skelett-Struktur, die eher so aufgebaut wird, wie wir es in der Technik machen: Herstellen, Hintragen, Einbauen.

               

Nakayama et al., Dynamic Transport and Cementation of Skeletal Elements Build Up the Pole-and-Beam Structured Skeleton of Sponges, Current Biology (2015), https://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2015.08.023

Stichworte: , ,
Mehr

Kommentare (11)

  1. #1 BreitSide
    Beim Deich
    4. Oktober 2015

    Sehr merkwürdig!

    Sehe ich das richtig, dass die Spicula alle gleich lang sind und an ein bestehendes Spiculum immer eins drangeschäftet wird? Extensions sozusagen, wie der Frisör sagt?

    Werden vielleicht die Spitzen gerne abgebissen und der Schwamm “hat Angst”, dass die Teilungszellen an der Spitze immer wieder verloren gehen? So wie Rehe immer die frischen Triebe anknabbern?

  2. #2 MartinB
    4. Oktober 2015

    @BreitSide
    Die auf den Bildern sind wohl immer etwa gleich lang, ja. Ob da mehrere aneinandergeklebt werden, weiß ich nicht, soweit ich sehe, steht das nicht im paper.

  3. #3 BreitSide
    Beim Deich
    4. Oktober 2015

    Auf den Bildern sieht es jedenfalls so aus.

    Das unterste Bild der untersten Grafik sieht so aus, als wären bis zu 4 Mikadostäbe aneinander geklebt.

    Im Paper hab ich nicht gelesen…

  4. #4 Fliegenschubser
    5. Oktober 2015

    Immer wieder erstaunlich, was sich die Natur so alles ausgedacht hat.
    Allerdings halte ich die Überlegung, dass das “Produzieren-Transportieren-Aufbauen”-Prinzip die Flexibilität und damit Anpassung an den jeweiligen Standort ermöglicht, für spekulativ. Der Schwamm könnte eine derartige Flexibilität auch erreichen, indem er die Spiculae (ist das der korrekte Plural??) an Ort und Stelle unterschiedlich produziert.

  5. #5 BreitSide
    Beim Deich
    5. Oktober 2015

    @Fliegenschubser: Das ist ja gerade das Faszinierende, dass sich offenbar nur für Schwämme diese andere Strategie lohnt.

    Singular Spiculum
    Plural Spicula

    Soweit ich das aus dem Text erkennen konnte 🙂

  6. #6 MartinB
    5. Oktober 2015

    @Fliegenschubser
    Ja, ich fand das auch spekulativ, gibt ja wohl auch andere Tiere mit ähnlich anpassbarem Wachstum.

    Was die Grammatik angeht, hat BreitSide recht.

  7. #7 Artur57
    10. Oktober 2015

    Da fällt mir ein: einmal hatte ich behauptet, die Lebewesen fremder Planeten seien wahrscheinlich ähnlich aufgebaut wie wir, nämlich hauptsächlich aus C, O und H, weil das die leichtesten Elemente sind, die 1-, 2- und 4-wertig sind. Man ist wohl überall auf Leichtbau angewiesen und die Verwendung von Silizium statt Kohlenstoff würde das Lebewesen schwerer machen. Dann wurde ich belehrt, dass das Silizium darüber hinaus nicht in der Lage sei, so viele komplexe Verbindungen aufzubauen wie der Kohlenstoff. Das kommt hinzu.

    Da sehe ich mich hier nun bestätigt, denn das ist ein Lebewesen, das tatsächlich mit Silizium baut. Und schon kämpft es mit seinem Gewicht, denn es kann nur als Schwamm existieren. Ja und vergleichsweise unpraktisch ist es auch. Man wäre als Mensch ja pausenlos von Güterzügen befahren, wenn wir nach diesem Prinzip aufgebaut wären.

    So richtig die Krone der Evolution ist der Schwamm ja nicht. Aber man muss ihm zugute halten: da, wo er lebt, ist kein anderes Baumaterial zu finden.

  8. #8 MartinB
    10. Oktober 2015

    @Artur57
    “die Verwendung von Silizium statt Kohlenstoff würde das Lebewesen schwerer machen. ”
    Ich glaube, da muss an stark unterscheiden – das eine ist die Frage, welches Element verwendet wird, um die Biochemie zu regeln, da ist Silizium sicher wenig geeignet (wegen der geringeren Bindungsmöglichkeiten, weil es keine Doppel-Bindungen gibt).
    Das andere ist die Frage des Einsatzes als mineralische Komponente ine inem Skelett. Die Dichte von Siliziumoxid ist 2,65g/cm³, die von Calciumcarbonat (was die meisten Lebewesen für Schalen o.ä. nehmen), 2.71g/cm³, das tut sich also nichts. Ich denke, der Grund, warum die meisten Lebewesen auf CaCo3 setzen ist, dass Kalzium auch anderweitig im Körper verwendet wird.

    “So richtig die Krone der Evolution ist der Schwamm ja nicht. ”
    Es gibt keine Krone der Evolution – Schwämme gibt es seit weit über 600 Millionen Jahren, so ganz schlecht sind die also nicht konstruiert. Wir Säugetiere schauen dann in 380 Millionen Jahren mal nach, ob wir das auch geschafft haben.

  9. #9 Artur57
    11. Oktober 2015

    Hallo Martin,

    danke für die Antwort. Nun, da ist noch ein Unterschied: der Transport von Fertigteilen entfällt bei Verwendung von CaCO3. Die Schale wächst an Ort und Stelle.

    Schauen wir uns aber den tierischen Knochen an: der besteht überwiegend aus Kollagen, das sind Peptidketten. Stöchiometrisch also ganz viel C-O-H bei sparsamer Verwendung von Fremdatomen. Das meinte ich. Alle Alternativen wären da wohl schwerer. Nebst der damit gegebenen Fähigkeit des Knochens, zu wachsen und filigrane Tragmuster auszubilden.

    Nun sind wir im Maschinenbau diesbezüglich noch immer im “Siliziumzeitalter”. Bauteile werden in einer Fabrik gefertigt und dann an Ort und Stelle gefahren. Was nun bei Windkraftwerken beispielsweise an seine Grenzen stößt. Die Bauteile sind zu groß für die Straße. Müsste man da nicht vielleicht ein wachsendes Windkraftwerk aus Kollagen ins Auge fassen?

    Richtg, Ironie über Lebewesen sollte vermieden werden. Sie könnte uns eines Tages selbst treffen.

  10. #10 MartinB
    11. Oktober 2015

    @Artur57
    “Schauen wir uns aber den tierischen Knochen an: der besteht überwiegend aus Kollagen, das sind Peptidketten”
    Naja, etwa 40% sind Hydroxyapatit, also Ca6(PO4)10 (ich hoffe, ich vertue mich gerade nicht mit der Formel.)
    “Alle Alternativen wären da wohl schwerer”
    Naja, Knochen hat insgesamt eine Dichte von etwa 2g/cm³. Massives SiO2 hätte wie gesagt 2,65, so riesig wäre der Unterschied nicht.

    Ich glaube auch nicht, dass der Unterschied im Aufbau bei den Schwämmen und bei anderen Tieren ursächlich in SiO2 vs. CaCO3 liegt – es ist einfach ein anderer Mechanismus, um die Strukturen zu fertigen.

    “Müsste man da nicht vielleicht ein wachsendes Windkraftwerk aus Kollagen ins Auge fassen?”
    Irgendwer hat mal gesagt, der Unterschied zwischen der Natur und unserer Technik ist, dass in der Natur die Maschinen kleiner sind als das, was sie bauen, bei uns ist es meist umgekehrt (Autos sind kleiner als die Pressen, in denen die Bleche hergestellt werden, usw.)
    Bei herkömmlichen Bautechniken wie dem Mauern ist es aber anders, da gehen wir ähnlich vor wie die Natur – kleine Bausteine werden von etwas größeren Baueinheiten zu einem großen ganzen gefügt.

  11. #11 BreitSide
    Beim Deich
    11. Oktober 2015

    Bei Windkraftwerken haben wir ja erst einmal die Option, die Flügel nicht mehr im Ganzen, sondern in Teilen zu fertigen.

    Sonst müsste man nur die Form für die Flügel vor Ort haben, die Gondel ist ja nicht das Problem. der Mast wird sowieso schon in Teilen angefahren.