Quallen sind fortgeschrittener als man denkt. Eine neue Studie der Universität Kopenhagen zeigt, dass die Lernfähigkeit karibischer Würfelquallen viel komplexer ist als angenommen, obwohl sie nur tausend Nervenzellen und kein zentrales Gehirn haben. Diese Entdeckung verändert unser grundlegendes Verständnis des Gehirns und könnte uns über unser eigenes mysteriöses Gehirn aufklären.
Nach mehr als 500 Millionen Jahren auf der Erde besteht kein Zweifel am großen evolutionären Erfolg der Qualle. Trotzdem haben wir sie immer als einfache Wesen mit sehr begrenzten Lernfähigkeiten betrachtet.
Es wird allgemein angenommen, dass die Lernfähigkeit eines Tieres umso größer ist, je weiter entwickelt das Nervensystem ist. Es wird angenommen, dass Quallen und ihre Verwandten (gemeinsam als Nesseltiere bekannt) die ersten lebenden Tiere waren, die über ein eher einfaches Nervensystem verfügten und über kein zentrales Gehirn verfügten.
Seit mehr als einem Jahrzehnt untersucht der Neurobiologe Anders Garm Würfelquallen, eine Gruppe von Quallen, die als einige der giftigsten Lebewesen der Welt gelten. Aber diese tödlichen Quallen sind aus einem anderen Grund interessant: Es stellt sich heraus, dass sie nicht so einfach sind, wie man einst dachte. Dies erschüttert unser Verständnis einfacher Nervensysteme.
„Früher dachte man, dass Quallen nur das einfachste Lernen ausführen können, einschließlich des Gewöhnungslernens – die Fähigkeit, sich an einen bestimmten Reiz zu gewöhnen, wie zum Beispiel einen kontinuierlichen Ton oder eine kontinuierliche Berührung. Jetzt haben wir herausgefunden, dass die Lernfähigkeiten von Quallen viel ausgefeilter sind und sie tatsächlich aus ihren Fehlern lernen können.“ Anders Garm, außerordentlicher Professor am Fachbereich Biologie der Universität Kopenhagen, sagte.
Eine der fortschrittlichsten Eigenschaften des Nervensystems ist seine Fähigkeit, Verhalten basierend auf Erfahrung – Gedächtnis und Lernen – zu ändern. Ein Forschungsteam um Jan Bielecki und Anders Garm von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel machte sich daran, diese Fähigkeit bei Würfelquallen zu testen. Die Ergebnisse wurden gerade in der Fachzeitschrift Current Biology veröffentlicht.
Die Würfelqualle ist eine der giftigsten Quallen der Welt. Mit ihrem Gift fangen sie Fische und große Garnelen. Die Würfelqualle (Tripedaliacystophora) hat ein mildes Gift und ernährt sich von kleinen Ruderfußkrebsen.
Würfelquallen haben kein zentralisiertes Gehirn wie die meisten Tiere. Stattdessen bestehen sie aus vier parallelen, hirnähnlichen Strukturen mit jeweils etwa tausend Nervenzellen. Das menschliche Gehirn verfügt über etwa 100 Milliarden Nervenzellen.
Die Würfelqualle hat vierundzwanzig Augen, die über vier gehirnähnliche Strukturen verteilt sind. Einige dieser Augen können Bilder erzeugen, wodurch Würfelquallen besser sehen können als andere Quallenarten.
Um seinen Weg durch die düsteren Mangroven zu finden, nutzt Tripedaliacystophora seine vier Augen, um durch das Wasser zu schauen, und nutzt das Mangrovendach zur Navigation.
Tripedaliacystophora ist mit einem Körperdurchmesser von nur etwa einem Zentimeter eine der kleinsten Würfelquallenarten. Es lebt in der Karibik und im zentralen Indopazifik.
Im Gegensatz zu vielen Quallenarten nutzt die männliche Qualle von Tripedaliacystophora ihre Tentakel, um das Weibchen während der Paarung zu fangen. Die Eier des Weibchens werden dann in ihrem Darmsystem befruchtet, wo sie sich zu Larven entwickeln.
Die Wissenschaftler untersuchten die Karibische Würfelqualle (Tripedaliacystophora), eine fingernagelgroße Qualle, die in karibischen Mangrovensümpfen lebt. Hier nutzen sie ihr leistungsstarkes visuelles System, das 24 Augen umfasst, um winzige Copepoden in den Wurzeln von Mangroven zu jagen. Während Baumwurzelnetze ein toller Ort zum Jagen sind, können sie auch ein gefährlicher Ort für Molluskenquallen sein.
Wenn Würfelquallen in die Nähe der Wurzeln eines Mangrovenwaldes gelangen, drehen sie sich um und schwimmen davon. Wenn sie sich zu schnell drehen, haben sie nicht genug Zeit, den Ruderfußkrebs zu fangen. Wenn sie jedoch zu spät wenden, besteht die Gefahr, dass sie getroffen werden und ihre Gelatine beschädigt wird. Daher ist die Beurteilung der Entfernung für sie von entscheidender Bedeutung. Forscher fanden heraus, dass der Kontrast entscheidend ist:
„Unsere Experimente zeigen, dass Quallen den Kontrast, die Tiefe ihrer Wurzeln relativ zur Wasseroberfläche, nutzen, um den Abstand zu den Wurzeln abzuschätzen, sodass sie zum richtigen Zeitpunkt wegschwimmen können. Noch interessanter ist, dass sich das Verhältnis zwischen Abstand und Kontrast durch die Einwirkung von Regen, Algen und Wellen jeden Tag ändert“, fährt Anders-Gam fort: „Wir können sehen, dass die Würfelquallen jeden Tag, wenn eine neue Jagd beginnt, den aktuellen Kontrast lernen, indem sie visuelle Eindrücke mit den Empfindungen des Scheiterns kombinieren.“ Obwohl sie also etwas mehr als tausend Nervenzellen haben (unser Gehirn hat etwa hundert Milliarden Nervenzellen), können sie die zeitliche Konvergenz verschiedener Eindrücke verbinden und die Zusammenhänge erlernen – was wir assoziatives Lernen nennen, und zwar in etwa der gleichen Geschwindigkeit wie fortgeschrittene Tiere wie Fruchtfliegen und Mäuse.“
Neue Forschungsergebnisse durchbrechen das bisherige wissenschaftliche Verständnis von Tieren mit einfachen Nervensystemen:
„Das sind große Neuigkeiten für die Grundlagenforschung der Neurowissenschaften. Es bietet eine neue Perspektive auf die Leistungsfähigkeit einfacher Nervensysteme“, sagte Anders-Gam. „Dies deutet darauf hin, dass fortgeschrittenes Lernen von Anfang an einer der wichtigsten evolutionären Vorteile des Nervensystems gewesen sein könnte.“
Karibische Würfelquallen leben und ernähren sich unter Wasser in Mangrovenwurzeln. Bildquelle: Anders Gramm
Die Forscher stellten die Bedingungen im Mangrovensumpf im Labor nach und platzierten Würfelquallen in einer Verhaltensarena. Hier manipulierten Forscher das Verhalten von Quallen, indem sie kontrastierende Bedingungen variierten, um zu sehen, welche Auswirkungen dies auf ihr Verhalten hatte.
Sie erfuhren, dass Quallen durch misslungene Fluchten lernen. Das heißt, sie lernen, indem sie Kontraste falsch interpretieren und gegen Baumwurzeln stoßen. Hier lernen sie, wann sie abbiegen müssen, indem sie den visuellen Eindruck des Auftreffens auf eine Baumwurzel mit dem mechanischen Aufprall kombinieren.
„Unsere Verhaltensexperimente zeigen, dass drei bis fünf gescheiterte Ausweichmanöver ausreichen, um das Verhalten der Quallen so zu ändern, dass sie nicht mehr auf Baumwurzeln treffen. Interessanterweise entspricht dies in etwa der gleichen Wiederholungsrate, die zum Lernen bei Fruchtfliegen oder Mäusen erforderlich ist“, sagt Anders-Gam.
Elektrophysiologie und klassische Konditionierungsexperimente bestätigten diese Lernmethode weiter und zeigten auch, wo Lernen im Nervensystem der Qualle stattfindet.
Die Wissenschaftler zeigten auch, wo das Lernen bei Würfelquallen stattfindet. Dies bietet ihnen nun die einzigartige Gelegenheit, die genauen Veränderungen zu untersuchen, die in Nervenzellen auftreten, wenn sie an fortgeschrittenem Lernen teilnehmen.
„Wir hoffen, dass dies ein Supermodellsystem für die Untersuchung der zellulären Prozesse des fortgeschrittenen Lernens bei verschiedenen Tieren wird. Wir versuchen nun genau zu bestimmen, welche Zellen am Lernen und der Gedächtnisbildung beteiligt sind“, sagte Anders-Gam. „Auf diese Weise können wir untersuchen, welche strukturellen und physiologischen Veränderungen in Zellen während des Lernprozesses stattfinden.“
Wenn das Forschungsteam den genauen Mechanismus identifizieren kann, durch den Quallen am Lernen beteiligt sind, wird der nächste Schritt darin bestehen, herauszufinden, ob dieser Mechanismus spezifisch für Quallen ist oder ob er bei allen Tieren zu finden ist.
„Letztendlich werden wir bei anderen Tieren nach demselben Mechanismus suchen, um zu sehen, ob das Gedächtnis im Allgemeinen auf diese Weise funktioniert“, sagten die Forscher.
Anders-Gam glaubt, dass dieses bahnbrechende Wissen für verschiedene Zwecke genutzt werden könnte: „Etwas so Geheimnisvolles und äußerst Komplexes wie das Gehirn zu verstehen, ist an sich schon eine sehr bemerkenswerte Sache die Krankheit besser zu verstehen und sie vielleicht zu bekämpfen.“
Die Forschung wird heute (22. September) in der Fachzeitschrift Current Biology veröffentlicht.