Verhalten, Morphologie und Physiologie von <i>Paramecium biaurelia </i>und<i> Tetrahymena pyriformis</i> unter variablen Umweltbedingungen

Abstract

Mittels unterschiedlicher Untersuchungsansätze wurde analysiert, wie verschiedene Umweltreize (Kälte und Beschleunigung) das Verhalten, die Physiologie und die physikalischen Eigenschaften von Einzellern beeinflussen. <i>Paramecium biaurelia</i> und <i>Tetrahymena pyriformis</i> wurden als Modellsysteme gewählt, da sie distinkte Schwerkraftreaktionen zeigen; einerseits eine ausrichtende (Gravitaxis), andererseits eine geschwindigkeitsmodulierende Komponente (Gravikinese). Als Mechanismus werden physikalische Gegebenheiten, wie die Zellform (Bojenprinzip), oder eine Schwerereiz-Signalkette diskutiert. Nach dem physiologischen Modell (Statocystenhypothese), sollen in Abhängigkeit von der Orientierung der Zelle durch den Druck des Cytoplasmas auf die jeweils unten liegende Membran, de- oder hyperpolarisierende Mechanorezeptoren stimuliert werden, die durch die entsprechenden Änderungen des Membranpotentials den Cilienschlag steuern.<br /> Herabsetzen der Kultivierungstemperatur von 20°C auf 10° (4°) verändert das Schwimmverhalten der Ciliaten. Beide Einzeller verlieren ihre Fähigkeit zur gravitaktischen Orientierung in 10°C (4°C), obwohl eine Abnahme der Reversalraten (Richtungswechsel) beobachtet wurde und die Zellen somit geradliniger schwammen. Dagegen bleibt die Gravikinese, wenn auch bei <i>Tetrahymena</i> reduziert, erhalten, obwohl die mittleren Schwimmgeschwindigkeiten bei beiden Ciliaten deutlich absinken. <i>Tetrahymena</i> zeigt im Vergleich mit <i>Paramecium</i> sehr viel deutlichere Veränderungen der Zellform in der Kälte, die Zellen runden sich stark ab, so dass, im Falle eines Bojeneffektes, dieser abgeschwächt würde. Elektronen- und fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen zeigten durch Kälte induzierte Änderungen der Lipideinlagerungen in beiden Ciliaten; eine Zunahme bei <i>Tetrahymena</i>, eine Abnahme bei <i>Paramecium</i>. Die Änderungen in der Lipidspeicherung könnten für die Zellen als Anpassung an die kälteren Temperaturen und schlechtere Lebensbedingungen relevant sein. Die kälteinduzierten Veränderungen in den Schwerkraftantworten der untersuchten Ciliaten bestätigen das Statocystenmodell der Schwerkraftwahrnehmung, wobei aber eine Unterstützung der physiologischen Prozesse durch physikalische Gegebenheiten bei der Ausprägung der Gravitaxis nicht auszuschliessen ist. Vor allem die Änderungen der Zellform bei <i>Tetrahymena</i> und ihre möglichen Auswirkungen auf ihre Funktion als Boje deuten in diese Richtung.<br /> Um einen Beitrag zu der Frage zu leisten, ob die sekundären Botenstoffe cAMP und cGMP an der Schwerereiz-Signalkette beteiligt sind, wurden, in Ergänzung zu früheren Untersuchungen an <i>Paramecium</i>, die Konzentrationen der Botenstoffe bei <i>Tetrahymena</i> unter veränderten Beschleunigungsbedingungen (Hypergravitation und Mikrogravitation) untersucht. Nach der Arbeitshypothese sollte cAMP als Second Messenger bei Hyperpolarisationsvorgängen in negativ gravitaktischen Ciliaten beeinflusst werden: Absinken in Mikrogravitation, Anstieg in Hypergravitation. Dagegen sollten keine Änderungen im cGMP-Gehalt als Second Messenger bei depolarisationsabhängigen Vorgängen auftreten. Im Gegensatz zu <i>Paramecium</i>, wo sich die postulierten schwerkraftabhängigen Konzentrationsänderungen zeigten, sind die Ergebnisse bei <i>Tetrahymena</i> nicht eindeutig.

<strong>Behaviour, morphology, and physiology of <i>Paramecium biaurelia</i> and <i>Tetrahymena pyriformis</i> under variable environmental conditions</strong><br /> The effect of various environmental stimuli (low temperature and acceleration) on behaviour, physiology, and physical properties of unicellular organisms was analysed using different experimental approaches. The model systems <i>Paramecium biaurelia</i> and <i>Tetrahymena pyriformis</i> were selected due to their distinct gravity responses - consisting of an orientating and of a velocity-modulating component, gravitaxis and gravikinesis, respectively. Physical phenomena like the cell shape (buoy principle) as well as a physiologically-based gravity-signalling chain are discussed as putative underlying mechanisms. According to a physiological model (statocyst hypothesis) de- or hyperpolarising membrane-based mechanoreceptors will be stimulated by the pressure of the cell's cytoplasm onto the currently lower cell membrane, thus via the modified membrane potential, the orientation of the cell controls the ciliary beat.<br /> Decreasing the cultivation temperature from 20°C to 10°C (4°C) changes the swimming behaviour of the investigated ciliates. In 10°C (4°C) both species lose their gravitactic ability, though fewer reversals in swimming direction were observed resulting in a straighter movement of the cells. Gravikinesis persists in <i>Paramecium</i> and is reduced in <i>Tetrahymena</i>, even though in both species the mean swimming velocities significantly decrease. Low temperatures induce in <i>Tetrahymena</i> far more pronounced changes in cell shape than in <i>Paramecium</i>: cell rounding becomes so intense that a putative buoy effect could be diminished. Electron- and fluorescence-microscopic investigations show cold-induced changes in the lipid storage of both ciliates: an increase in <i>Tetrahymena</i> and a decrease in <i>Paramecium</i>. These lipid content changes may be involved in the adaptation process to lower temperatures and worse environmental conditions. The cold-induced changes in the gravity responses of the investigated ciliates support the statocyst model of gravity perception. However, a promotion of the physiological processes by physical phenomena can not be excluded - especially the observed cell shape changes of <i>Tetrahymena</i>, which could affect a buoy function, point in this direction.<br /> The possible involvement of the second messengers cAMP and cGMP in the gravity-signal transduction chain was analysed by testing their concentrations in <i>Tetrahymena</i>, when subjecting the cells to altered acceleration conditions (hyper- and microgravity), thus supplementing recent data on <i>Paramecium</i>. In fact, the postulated gravity-dependent concentration changes according to the working hypothesis (cAMP-decrease in microgravity and increase in hypergravity) could be demonstrated only in <i>Paramecium</i>, whereas <i>Tetrahymena</i> did not deliver clear-cut results.