De amoebe en de slijmzwam
Samenvatting van 6 artikelen over de eigenschappen van amoeben, die een slijmzwam vormen:
Zij hebben zowel een eencellige (amoebe) als een meercellige levensvorm (slijmzwam).
De enkelvoudige vorm plant zich voort door celdeling, de meervoudige vorm door sporenvorming.
De enkelvoudige vorm is ongedifferentieerd, in de meervoudige vorm zijn de amoebecellen gedifferentieerd en vormen lichaamscellen, steelcellen, sporen en schildwachtcellen.
De meervoudige levensvorm heeft de vorm van een kleine naaktslak.
De schildwachtcellen daarin verdedigen de naaktslak tegen indringers, maar gaan daarbij zelf te gronde.
De meervoudige levensvorm heeft geen centraal zenuwstelsel, maar is toch in staat door een doolhof te navigeren naar een voedselbron.
Daarbij blijkt zij over een geheugen over de afgelegde weg te beschikken en vermijdt een weg in te slaan waar zij al is geweest.
Zonder over zoiets als hersenen te beschikken, maakt zij toch de indruk op primitieve wijze intelligent te zijn.
Overweging: de samenhang die hier in de natuur zichtbaar wordt tussen de enkelvoudige amoebes en de meervoudig samengestelde levensvorm van de slijmzwam in de vorm van een naaktslakje, is een weergave van de samenhang tussen zelfstandige personen en hun verenigende gemeenschap. Zij kunnen als zelfstandige persoon toch niet zonder elkaar en blijken een eenheid in verscheidenheid te vormen.
Dit verschijnsel is een weergave van wat Paulus bedoelt met het 'mystieke lichaam van Christus' zoals hij dat beschrijft in zijn eerste brief aan de Korinthiërs, Hoofdstuk 12; dit bedoelt Teilhard de Chardin met het bereiken van het punt Omega door de gemeenschap van gelovigen; en het is in de moderne natuurkunde de golf-deeltjedualiteit, die in de kwantumveldentheorie wordt beschreven als het veld, dat alle door verdichting uit dat veld voortgekomen deeltje, in een onwrikbare samenhang tot een eenheid vormt.
6 Artikelen
1. De blauwdruk van een slijmzwam
2. Afweer uit de oertijd
3. Het 'geheugen' van een slijmzwam
4. Slimme slijmzwam vindt zijn weg
5. De levenscyclus van een cellulaire slijmzwam
6. Eencellige levensvormen die zich gezamenlijk voortbewegen
1. De blauwdruk van een slijmzwam
Noorderlicht 04-05-2005, door Elmar Veerman
Het totale DNA-pakket van de sociale amoebe Dictyostelium discoideum is nu bekend. En dat zegt ook iets over ons.
De kleine amoebe, een vormeloze eencellige, leeft in het bos en zoekt daar naar bacteriën en schimmels. Als hij genoeg gegeten heeft, deelt hij zich en dan zijn er twee amoeben. Enzovoort, enzovoort. Maar wanneer er niets meer te eten is, gebeurt er iets bijzonders. Alle hongerige amoeben uit de buurt komen samen en vormen met z'n honderdduizenden een zogenoemde slijmzwam, een soort paddestoel, met duidelijk verschillende weefsels. Daaraan vormt zich een knop met sporen, die loslaten en zich door de lucht verspreiden.
Deze amoebe is dus eigenlijk zowel een eencellig als een meercellig organisme. En dat maakt hem tot een interessant studieobject voor biologen. Ook al omdat de amoeben in hun eencellige vorm veel weg hebben van macrofagen, de rondzwervende cellen in ons lichaam die binnengedrongen bacteriën opeten.
In Nature van 5 mei presenteert een groep van 97 wetenschappers de genenkaart van de amoebe. Omdat het wezentje veel eenvoudiger in elkaar zit dan de mens, zijn allerlei processen veel makkelijker te bestuderen dan in de mens, schrijven ze.
2. Afweer uit de oertijd
Samenwerkende amoeben hebben een immuunsysteem
Noorderlicht 02-08-2007, door Elmar Veerman
Wat was er eerder, het meercellige organisme of zijn afweersysteem tegen gif en bacteriën? Misschien wel het laatste, laat een bijzondere slijmzwam zien. In zo'n groep samenwerkende eencelligen blijken speciale schildwachtcellen zich op te offeren voor de rest.
Dat mensen en apen van een gezamenlijke voorouder afstammen, staat in de wetenschap buiten kijf. En voor wie bereid is de hele waarheid onder ogen te zien, wordt het nog nederiger makend. Want eerdere voorlopers van de mens waren: vissen, salamanders, reptielen en muisachtige wezentjes; nog lager in de stamboom vind je dieren zonder ruggegraat en er is een moment geweest waarop onze voorlopers de stap van eencellig naar meercellig organisme hebben gemaakt.
Maar eigenlijk hebben we nooit helemaal afscheid genomen van ons eencellige verleden. Door ieder mensenlichaam zwermen immers zelfstandige wezentjes, op jacht naar binnengedrongen bacteriën en ongewenste stoffen: fagocyten, een type witte bloedcellen dat ongerechtigheden opeet. Ze lijken heel veel op amoeben, eencellige diertjes die vrijwel overal op aarde voorkomen, zolang het er maar nat is. Ook zij zijn voortdurend op zoek naar bacteriën.
de slijmzwam
Die naam is niet helemaal goed gekozen, want zo'n ophoping van duizenden amoeben lijkt aanvankelijk meer op een minuscule naaktslak. Hij heeft een voorkant en een achterkant en kruipt ook echt, een slijmspoor achterlatend.
Pas in een later stadium wordt het iets zwamachtigs, een bolletje op een steeltje. Dat bolletje zit vol stevig ingepakte cellen, de sporen. Die laten zich met wind of water wegvoeren, om op andere plaatsen weer te ontkiemen tot amoeben.
sporenbolletjes
De schildwachtcel
Drie onderzoekers van het Baylor College of Medicine in Houston voegen een heel nieuw type aan dit rijtje toe: de schildwachtcel. Ze kwamen die op het spoor door de 'slakken' in te spuiten met kleurstoffen, schrijven ze in Science. Deze kleurstoffen hoopten zich binnen een paar uur op in een kleine groep cellen, die door het hele 'lijf' bleken te circuleren.
Wanneer vervolgens de schildwachtcellen zich hebben volgepropt met de ongewenste kleurstof, blijven ze achter in het slijmspoor, zagen Adam Kuspa en zijn collega's. Zo kan de 'slak' weer schoon verder kruipen en onvervuilde sporen produceren.
En hetzelfde blijkt te gebeuren met binnengedrongen bacteriën. Ingespoten legionellabacteriën - van een soort die gevaarlijk voor de amoeben kan zijn - werden binnen een paar uur opgenomen door de schildwachtcellen en waren in een etmaal samen met die cellen verdwenen uit het 'lichaam' van de slijmzwam. Nieuwe schildwachtcellen hadden intussen de taak van de oude overgenomen.
Eigenlijk lijken de schildwachters nog meer op menselijke fagocyten dan los rondzwervende amoeben. Ze verzamelen alles wat schadelijk is en gaan daarna naar een plek waar dat weinig kwaad kan, waarbij ze hun eigen leven opofferen.
Kuspa en zijn collega's durven de stelling dan ook wel aan dat ze hier een eenvoudig soort afweersysteem op het spoor zijn. En misschien, menen ze, is zo'n systeem wel een van de beslissende voorwaarden geweest die het leven als meercellig organisme de moeite waard hebben gemaakt.
Als dat zo is, zullen daar waarschijnlijk aanwijzingen voor te vinden zijn in het DNA, redeneerden de onderzoekers.
Amoeben, planten en dieren zijn alle voortgekomen uit een eencellige voorouder. Omdat amoeben de levenswijze van dat oerwezentje met weinig veranderingen hebben voortgezet, hebben ze misschien nog genen die veel lijken op de basis waaruit ons eigen afweersysteem is ontstaan.
Eén van de gezochte genen heeft de Amerikaanse onderzoeksgroep al gevonden. Het heet TirA. Dit gen vertoont veel overeenkomsten met een stukje DNA dat bij planten en dieren een rol speelt in de verdediging tegen ziekmakende bacteriën. Ook bij de amoeben is het onmisbaar voor het oppakken en verteren van de Legionella-bacterie, toonden de onderzoekers aan.
Deze ontdekking noemen ze dan ook "een eerste glimp van een afweergerelateerd signaleringssysteem in amoeben." Ze zijn erg benieuwd of er meer van dit soort genen te vinden zijn. Als die inderdaad opduiken, dient de conclusie zich aan dat onze verre voorouders het afweersysteem al hadden uitgevonden voordat ze besloten hun eencellige leven definitief te verruilen voor een bestaan als meercellig wezen.
Bron:
Guokai Chen, Olga Zhuchenko en Adam Kuspa: 'Immune-like phagocyte activity in the social amoeba', Science, 3 augustus 2007
3. Het 'geheugen' van een slijmzwam
Kennislink, 11-10-2012
Australische wetenschappers hebben ontdekt dat de zwam Physarum polycephalum de weg in een complexe omgeving kan vinden door plaatsen waar hij al eerder zijn slijm heeft afgezet te mijden.
De ontdekking is bijzonder omdat nog nooit eerder is aangetoond dat een organisme zonder centraal zenuwstelsel tot zulke navigatie in staat is.
Physarum polycephalum is een eencellig organisme met meerdere kernen. De zwam kan met speciale receptoren chemische signalen uit zijn omgeving oppikken. Op die manier zoekt hij ook naar voedsel. Als de zwam een signaal oppikt, verplaatst hij zich langzaam die kant op. Daarbij laat hij een spoor van dik slijm achter. De vraag is of de zwam dat slijm kan herkennen en gebruiken bij het navigeren in een complexe omgeving.
Voorkeur voor een route zonder slijm
Om daar achter te komen lieten gedragsbioloog Chris Reid en zijn collega's van de universiteit van Sydney slijmzwammen los in een Y-vormig buizenstelsel. In beide armen van het buizenstelsel bevond zich voedsel. Het grote verschil tussen de routes was dat de ene arm bedekt was met slijm en de andere niet. 39 van de 40 zwammen in het experiment maakten gebruik van de route zonder slijm. Die voorkeur verdwijnt op het moment dat beide armen bedekt zijn met slijm of als er helemaal geen slijm aanwezig is in het buizenstelsel.
De zwammen kunnen dus wel degelijk slijm detecteren en bewegen zich bij voorkeur over een route zonder slijm. Maar van obstakels was in het Y-vormige buizenstelsel nog geen sprake. Daarom introduceerde Reid in een vervolgexperiment de U-vormige val. Hij plaatste een U-vorm in een rond bakje en bracht achter de U-vorm een klein beetje voedsel aan. Op het moment dat de zwam de geur van het voedsel waarneemt, zal hij zich in die richting bewegen en gevangen komen te zitten in de U-vorm.
Komt de zwam daar weer uit en slaagt hij er uiteindelijk in om het voedsel te bereiken? Dat is wat Reid graag wilde weten. 24 Zwammen ondergingen de test in een bakje met slijm en 24 andere zwammen mochten de weg proberen te vinden in een bakje zonder slijm. In een bakje zonder slijm slaagden bijna alle zwammen (96 procent) erin om binnen 120 uur het voedsel te bereiken. In een bakje met slijm wist slechts 33 procent van de zwammen binnen diezelfde tijd bij het voedsel te komen.
Primitief
De zwammen in een bakje zonder slijm waren bovendien een stuk sneller bij hun doel dan de zwammen die zich over slijm moesten bewegen. Dat heeft niets te maken met bewegingssnelheid. Zwammen verplaatsen zich over slijm namelijk net zo snel als over andere oppervlakten. Ook is het niet zo dat zwammen door het laagje slijm niet meer in staat zijn het voedsel te detecteren. Toen Reid het obstakel weg haalde wisten alle zwammen in het bakje met slijm weer prima welke kant ze op moesten.
Reids conclusie is dat zwammen hun eigen slijm kunnen gebruiken om in een complexe omgeving te navigeren. Een opmerkelijke conclusie, omdat nog nooit eerder is aangetoond dat organismen zonder centraal zenuwstelsel tot zulke navigatie in staat zijn. Maar de Australiër gaat nog een stapje verder. Hij denkt dat deze reactie op signalen uit de omgeving de eerste stap was in de ontwikkeling van het geheugen. Je zou dan ook kunnen zeggen dat de slijmzwam een heel primitief 'geheugen' heeft.
Bron: Chris Reid e.a. Slime mold uses an externalized spatial "memory" to navigate in complex environments PNAS, 8 oktober 2012 (online)
sporenbolletjes
Kennislink, 16 november 2012, door Anne van Kessel
Ze hebben uiteenlopende namen van Heksenboter en Bloedweizwam tot Zilveren boomkussen. Ze kunnen zonder hersenen hun weg door een doolhof vinden en zijn zelfs in staat een robot te besturen. De slijmzwam is een intelligentere bodembewoner dan je denkt.
De vruchtlichamen van deze myxomyceet bevatten de sporen.
Wikimedia Commons
Naam: Slijmzwam Aantal soorten: 1050 Lengte: van enkele centimeters tot een vierkante meter Uiterlijk: Over het algemeen kleurloos. De myxomyceten hebben een waaiervormig uiterlijk en de cellulaire slijmzwammen vormen clusters van afzonderlijke cellen die samenleven Dieet: bacteriën, gisten, groene algen, plantenresten
Bijzonder: Slijmzwammen kunnen de uitgang in een doolhof vinden en zelfs een robot besturen
Slijmzwammen zijn eukaryote organismen die sporen produceren. Hoewel hun uiterlijk sterk aan schimmels doet denken, vormen ze een aparte groep en hebben ze meer overeenkomsten met protozoa, zoals de amoeben. Ze worden vrijwel overal gevonden, zowel in als op de bodem.
Plasmodiale slijmzwammen vormen met 900 soorten de grootste groep slijmzwammen, ze worden ook wel myxomyceten genoemd. Als je een slijmzwam in de natuur ziet is de kans groot dat dit een myxomyceet is. Met 150 soorten vormen de cellulaire slijmzwammen een kleinere groep. Ze zijn het grootste gedeelte van hun leven microscopisch klein en dus moeilijk te vinden.
De levenscyclus van een myxomyceet
vorming van de slijmzwam
Uiteindelijk groeien de cellen uit tot de tweede trofische fase waarin de cellen meerdere kernen hebben die niet door een membraan worden gescheiden. De cellen smelten samen tot een plasmodium. Een plasmodium kan soms wel 10.000 kernen bevatten, heeft geen celwand en leven als een laagje protoplasma dat waaiervormig is. De meeste plasmodia zijn niet groter dan een paar centimeter, maar sommige soorten kunnen tot een vierkante meter uitgroeien en 20 tot 30 gram wegen.
Uit een plasmodium groeien een of meer vruchtlichamen, die de sporen bevatten. De sporen kunnen donker of licht van kleur zijn en soms zelfs felgekleurd. Ze worden door de wind verspreid. Als ze ontkiemen en nieuwe amoebische cellen produceren, begint de levenscylcus opnieuw.
Myxomyceten leven graag op rottend hout, plantenresten op de grond, in de bodem of op de bast van levende bomen.
De myxomyceet en het doolhof
het zoeken van de weg in een doolhof
Nature
In 2000 lieten wetenschappers in een studie in Nature zien dat Physarum polycephalum, een slijmzwam die wel een vierkante meter groot kan worden, 'intelligent' genoeg was om zijn weg door een doolhof te vinden waarbij er aan het begin en aan het einde van het doolhof een voedselbron was neergelegd. Physarum polycephalum is een eencellig organisme met meerdere kernen, hij heeft net als alle slijmzwammen geen centraal zenuwstelsel of hersenen. Met speciale receptoren pikt hij chemische signalen uit zijn omgeving op en zoekt zo naar voedsel. Als de zwam een signaal oppikt, verplaatst hij zich langzaam die kant op.
In vier uur tijd wist het organisme in het doolhofexperiment zijn vorm zo efficiënt mogelijk te veranderen zodat hij de kortste route door het doolhof zou nemen. De pseudopodia, ofwel 'voetjes' van het plasmodium trokken zich terug zodat alleen de voetjes die de kortste afstand tussen de voedselbronnen overspanden, overbleven. Op die manier kon de slijmzwam twee voedselbronnen verorberen met minimale inspanning.
Dit laat volgens de onderzoekers zien dat de slijmzwam een vorm van primitieve intelligentie bezit.
Het geheugen van een slijmzwam
In oktober van dit jaar ontdekten Australische wetenschappers dat dezelfde slijmzwamsoort de weg in een complexe omgeving kan vinden door plaatsen waar hij al eerder zijn slijm heeft afgezet te mijden. Bij het verplaatsen laat de zwam een spoor van dik slijm achter. Dat slijm kan de zwam gebruiken om in een complexe omgeving te navigeren. Ook deze wetenschappers stonden ervan te kijken dat een organisme zonder centraal zenuwstelsel op die manier kan navigeren. Maar de Australiërs gaan nog een stapje verder. Ze denken dat deze reactie op signalen uit de omgeving de eerste stap was in de ontwikkeling van het geheugen. Je zou dan ook kunnen zeggen dat de slijmzwam een heel primitief 'geheugen' heeft.
5. De levenscyclus van een cellulaire slijmzwam
Audrey Dussutour
Deze kleinere slijmzwammen lijken nog sterker dan de plasmodiale slijmzwammen op schimmels. Ze komen voornamelijk in de bodem voor. Wanneer een van hun sporen kiemt, komt er een amoebische cel vrij die zich tegoed doet aan bacteriën en plantenresten in de bodem. Ook hier deelt de amoebische cel tot twee onafhankelijke cellen. Als na een aantal dagen het voedsel schaars wordt, ontstaat er een meercellige structuur. Met speciale receptoren pikken de amoebische cellen chemische signalen uit de omgeving op en beginnen ze zich te verplaatsen en smelten samen. Uit ieder hoopje cellen ontstaat vervolgens een sigaarvormige structuur, het pseudoplasmodium. Een pseudoplasmodium is een verzameling van duizenden, voorheen zelfstandige, amoebische cellen. De cellen blijven te onderscheiden, maar opereren niet langer zelfstandig, maar als onderdeel van een meercellige eenheid.
Kort daarna beginnen de cellen van het pseudoplasmodium op verschillende manier te specialiseren. Cellen uit het voorstel deel van de 'sigaar', scheiden een cellulosewand af. De cellen binden samen en vormen een dunne stengel die vanuit het oppervlakte omhoog groeit. De cellen aan het andere uiteinde van de 'sigaar' komen op de stengel terecht en vormen sporen. Deze produceren een nieuwe generatie amoebische cellen die zich weer tegoed doet aan bacteriën. De cellen die de stengel vormden drogen uit en sterven af.
Slijmzwam bestuurt robot
Er wordt nog meer met Physarum polycephalum geëxperimenteerd. In 2006 ontdekten onderzoekers dat de slijmzwam een zespotige robot kan besturen. De slijmzwam schuwt van nature het licht en regelt de robotbeweging door deze ook buiten het licht te houden en naar donkere plekken te verplaatsen. Klaus-Peter Zauner van de Universiteit van Southampton, ontwikkelde de robot met collega's van Kobe University in zuid-centraal Japan en hoopte zo simpele manieren te vinden om robots te besturen.
Bronnen:
European Atlas of Soil Biodiversity, JRC European Commission
Chris Reid e.a., Slime mold uses an externalized spatial 'memory' to navigate in complex environments, PNAS (8 oktober 2012, online)
Nakagaki et al., Intelligence: Maze-solving by an amoeboid organism, Nature, 2000, 407.
Will Knight, Robot moved by a slime mould's fears, New Scientist, 2006
6. Eencellige levensvormen zijn maar één cel groot en missen hersenen en spieren, maar toch bewegen zij zich gezamenlijk op een vernuftige manier voort.
Scientias, 31-07-2022, Jeanette Kras
Onderzoekers uit Twente en Göttingen wilden meer te weten komen over de manier waarop bacteriën en andere eencelligen [zoals amoeben, schimmels en witte bloedlichaampjes] zich voortbewegen en actief door hun omgeving navigeren. Een aantal van deze bewegingsmechanismen blijkt verrassend geavanceerd te zijn. Wie weet, kunnen we nog wat leren van deze minuscule wezentjes en nieuwe medische toepassingen ontwikkelen op basis van hun bewegingspatronen.
Interactie met de omgeving Biologische organismen zijn voortdurend bezig hun omgeving af te tasten. Het is voor hen van levensbelang om te reageren op wat er om hen heen gebeurt. Mensen en dieren maken gebruik van een complex zenuwstelsel om omgevingsprikkels op te nemen en te verwerken. Zo kunnen bewuste beslissingen worden genomen.
Eencelligen missen dat vermogen en hebben dus andere strategieën moeten ontwikkelen voor hun interactie met de buitenwereld. Zo bewegen parasieten en bacteriën zich meestal door nauwe kanalen, zoals kleine bloedvaten. Vaak volgen ze een specifiek oscillerend patroon: ze trillen van A naar B door de vloeistof heen en gebruiken de wand van bijvoorbeeld een haarvaatje bij het voortbewegen.
Tegen de stroom in
"We hebben een theoretisch model gemaakt waarin de specifieke dynamiek van deze microzwemmers is beschreven. Deze dynamiek hangt af van de grootte van de eencellige en hoe zijn wisselwerking met de binnenwand van het kanaal eruit ziet. Dit theoretische model werd bevestigd door de uitkomsten van onze experimenten," vertelt Corinna Maass, teamleider aan het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization (MPI-DS) in Göttingen en professor aan de Universiteit van Twente.
Deze terugkerende bewegingspatronen kunnen in de toekomst mogelijk ook worden ingezet bij de toediening van medicijnen. Het doel is om medicijnen op een bepaalde plek in het lichaam af te leveren, zelfs als dat betekent dat de medicatie tegen de stroom in moet zwemmen.
microben als oliebolletjes-model
Bron: MPI-DS/Maass
Microzwemmers en oliespoor
In een andere studie werden de microzwemmers bespied, terwijl ze gezamenlijk op reis waren. Het bleek dat ze elkaar daarbij beïnvloedden. Om dit te testen werd een experimenteel model opgezet, waarbij kleine oliedruppeltjes in een zeepachtige oplossing afzonderlijk van elkaar bewegen.
De oliedruppeltjes laten daarbij een klein spoor van olie achter, net als een vliegtuig een spoor achterlaat. Dit oliespoor stoot andere druppeltjes af. Op dezelfde manier kunnen microzwemmers aanvoelen of andere microben net langs zijn gekomen.
"Hier treedt een interessant verschijnsel op: individuele microzwemmers maken een wegtrekkende beweging, terwijl een groep druppeltjes vast komt te zitten in de sporen van de voorgangers," legt hoofdonderzoeker Babak Vajdi Hokmabad uit. Het afstotende effect van de tweede druppel die langskomt, hangt af van de hoek waarop hij hem raakt en hoeveel tijd er is verstreken sinds de eerste zwemmer voorbijkwam. Deze experimentele data bevestigen het theoretische werk dat eerder al is verzet op dit gebied door Ramin Golestanian van het MPI-DS.
Microhovercrafts en helikopters
Als laatste keek het onderzoeksteam naar de manier waarop een groep eencelligen in staat is om samen te werken. Daarmee overeenkomend kunnen meerdere microdruppels onder bepaalde omstandigheden clusters gaan vormen, die spontaan gaan drijven zoals een hovercraft, of gaan draaien zoals microscopisch kleine helikopters. Het roteren van een cluster wordt mogelijk gemaakt door de koppeling van losse druppeltjes.
De microzwemmers vormen ook zo'n systeem en bewegen door de vloeistof door een vrij complexe samenwerking aan te gaan. Zij kunnen dus op verschillende manieren gecontroleerd van A naar B navigeren: ze kunnen in hun eentje met een trillende beweging door heel nauwe bloedvaten bewegen. Ze kunnen de sporen van andere microzwemmers gebruiken als navigatie, maar ook samenwerken en als een helikopter opereren. En dat allemaal zonder hersenen of spieren.
Bron: Spontaneously rotating clusters of active droplets - Soft Matter
terug naar het Wetenschapsboek
^