Biologie

Fadenwurm mit Mathe-Gen

Mit nur zwei Zellen vollbringt das Tier komplexe Rechenleistungen. Foto: Getty Images

Der Duft frischer Backwaren kann auf Menschen wie ein Magnet wirken. Sobald er in die Nase dringt, will man unbedingt dorthin, von wo der Geruch von Brötchen und Kuchen kommt. Für Menschen ist das keine große Herausforderung. Wir verfügen über eine breite Palette hochentwickelter Sinnesorgane und können im Regelfall sofort die Quelle der Leckereien orten und ansteuern – und uns den Bauch vollschlagen.

Bei anderen Lebewesen sieht das schon ein wenig komplizierter aus. Vor allem bei Würmern. »Trotzdem sind sie bei der Suche nach Nahrung in der Lage, so etwas wie Differentialgleichungen zu lösen«, erklärt Alon Zaslaver. »Natürlich geschieht das Ganze völlig unbewusst«, so der Neurogenetiker von der Hebräischen Universität in Jerusalem. Gemeinsam mit seinen Studenten hat er den Nematoden Caenorhabditis elegans, vulgo Fadenwurm, näher unter die Lupe genommen und dabei dessen erstaunliche mathematische Talente entdeckt. Die Ergebnisse seiner Forschung wurden jüngst im Fachblatt »Nature Communication« veröffentlicht.

Gerüche »Die Fähigkeit von Tieren, effektiv Nahrungsquellen zu lokalisieren und an diese zu gelangen, ist für ihr Überleben von zentraler Bedeutung«, bringt es Zaslaver auf den Punkt. Oder anders ausgedrückt: Wer zuerst kommt, mahlt nicht, sondern frisst zuerst. »Aber wie ist ein Lebewesen in der Lage, konkrete Gerüche zu dechiffrieren, einzuordnen und anschließend die korrekte Richtung einzuschlagen?« Vor allem dann, wenn nicht einmal ein Gehirn vorhanden ist, wie bei den Fadenwürmern. Auch gibt es keine kleinen Näschen, mit denen der Fadenwurm schnuppernd losziehen kann.

Die Antwort klingt erst einmal kompliziert. »Aufeinander abgestimmte rhythmische sowie gestaffelte Dynamiken ermöglichen effiziente Chemotaxis beim Caenorhabditis elegans.« Der Wissenschaftler übersetzt diesen Satz folgendermaßen: »Man soll sich einfach vorstellen, wie es ist, mit geschlossenen Augen einen frisch gebackenen Brownie in einem Raum zu lokalisieren. Dabei wird ausschließlich die Nase benutzt, wobei das Ganze sehr nach dem alten Suchspiel für Kinder ›Heiß oder kalt‹ funktioniert.«

Wird der Geruch stärker, wissen alle, dass sie auf der richtigen Fährte sind. Schwächt dieser aber ab, verhält es sich genau umgekehrt. »Verlassen wir uns also ausschließlich auf unser olfaktorisches System, stellt unser Kopf ganz automatisch einige Algorithmen an«, beschreibt der Experte diese Abläufe. »Deshalb bewegen wir uns in die korrekte Richtung, was unserem Gehirn wiederum signalisiert, dass das, was wir gerade machen, auch wirklich gut und richtig ist.«

Neuronen Bei Würmern sind für diese komplexen Prozesse nur zwei chemosensorische Neuronen unterschiedlichen Typs nötig. Ein sogenanntes AWA-Neuron, das Differenzen mittels stochastischer rhythmischer Dynamiken kodiert, sowie ein AWCon, der diese Aufgabe deterministisch in abgestufter Weise erledigt. »Diese beiden exerzieren quasi das Spiel von ›Heiß oder kalt‹ durch«, so Zaslaver. »Dabei gibt es aber einen kleinen Twist.« Denn die eine neuronale Zelle nimmt den Geruch von Nahrung auf und schickt den Wurm los. Sie bleibt die ganze Zeit über aktiv und hält den Caenorhabditis elegans auf Spur, wenn der Geruch sich verstärkt. Schwächt er aber ab, stoppt sie den glitschigen Genossen und entscheidet sich für eine andere, hoffentlich bessere Option.

Um diese Kalkulation überhaupt anstellen zu können, bedarf es der zweiten neuronalen Zelle. »Diese berechnet nämlich den Weg neu«, so der Wissenschaftler, »und funktioniert ganz ähnlich wie ein Navigationssystem, beispielsweise die App von Waze oder Google Maps.« Die überraschende Fähigkeit des Wurms, mit nur zwei Zellen derartige Rechenleistungen vollbringen zu können, ist im Kontext der Evolutionsgeschichte keine schlechte Lebensversicherung. »Wer Mathematik beherrscht, kommt schneller an sein Futter.«

»Diese winzigen Würmer erteilen uns eine wichtige Lektion«, sagt Zaslaver mit einem Lächeln und wird beinahe philosophisch. Denn wenn man versucht, ein Problem zu bewältigen, scheint die schnelle Lösung oft die attraktivste zu sein. »Ganz offensichtlich brauchen wir aber darüber hinaus eine Art Backup-System, das ständig überwacht, ob wir uns auch wirklich auf dem richtigen Pfad befinden, und welches rechtzeitig erkennt, dass der Weg zu unserem Ziel womöglich anders aussehen kann, als ursprünglich vielleicht geplant.«

Potenzial Warum ausgerechnet die Fadenwürmer in Jerusalem für diese Experimente herangezogen wurden, hat einen simplen Grund. Der Caenorhabditis elegans besteht aus nur 959 Zellen. Die sind nicht nur alle bestens bekannt und leicht überschaubar. Auch seine Entwicklung läuft stets gleich ab und lässt sich mikroskopisch gut verfolgen, weshalb er das optimale Arbeitstier in Labors ist.

Dass aus Fadenwürmern jetzt keine glitschigen Einsteins werden, dürfte ebenfalls klar sein. »Ein Mensch verfügt über ungefähr 100 Milliarden Neuronen in seinem Gehirn«, so Zaslaver. »Der Nematode Caenorhabditis elegans kommt dagegen gerade einmal auf genau 302. Aber vielleicht verdeutlicht diese Relation, zu was ein Mensch vielleicht noch alles mit seiner Rechenleistung fähig sein könnte, wenn er deren Arbeitsweisen besser versteht.«

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