Magnetotaxis

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Als Magnetotaxis wird die Orientierung der Bewegungsrichtung von Lebewesen in einem Magnetfeld bezeichnet. Ökologisch bedeutend ist die Orientierung am Magnetfeld der Erde. Nach bisherigen Erkenntnissen spielen dabei sogenannte Magnetosomen eine Rolle. Magnetosomen besitzen einen Eigenmagnetismus und tendieren zu einer Ausrichtung in Magnetfeldern. Anders als bei der Chemotaxis oder Phototaxis wurde bisher noch kein sensorisches System gefunden.

Aufbau und Morphologie von Magnetosomen[Bearbeiten]

Magnetosomen bestehen aus membranumgebenen Magnetit- (FeIII2FeIIO4) oder Greigitkristallen (FeIII2FeIIS4) und haben einen Durchmesser von etwa 40 bis 90 nm. Im Gegensatz zu einer häufigen Lehrbuchmeinung besteht die umgebende Membran aus einer von der Cytoplasmamembran abstammenden Lipiddoppelschicht. Dies wurde durch die Analyse der Lipidbestandteile und Beobachtung von aus der Cytoplasmamembran ausknosspenden Magnetosomenvesikeln bestätigt [1][2][3]. Die Gestalt der Magnetosomen variiert zwischen verschiedenen Spezies stark. Sie kann würfel- bis quaderförmig und auch nagel- oder tropfenförmig sein. Jede Zelle enthält mehrere Magnetosomen, die darin Ketten bilden.

Verbreitung und ökologische Bedeutung bei Bakterien[Bearbeiten]

Magnetospirillum gryphiswaldense-Zellen, die Ketten aus intrazellulären Magnetitkristallen enthalten (oben).
Von M. gryphiswaldense gebildete Magnetitkristalle (unten).
(beides elektronenmikroskopische Aufnahmen)

Magnetotaktische Bakterien leben in Gewässern (aquatisch) und sind an geringe Sauerstoffkonzentrationen angepasst (mikroaerophil). Sie bewegen sich mit Hilfe von Geißeln und besitzen in ihrem Inneren Magnetosomen, die in einer Reihe angeordnet sind. Die meisten magnetotaktischen Bakterien sind Spirillen, ein Beispiel die Arten Magnetospirillum gryphiswaldense, Magnetospirillum magnetotacticum, Aquaspirillum magnetotacticum[4].

Magnetosomen verleihen der Zelle einfache magnetische Eigenschaften, wodurch die Bakterien parallel zu den Kraftlinien des Erdmagnetfelds ausgerichtet werden. Die Polarität ist bei magnetotaktischen Bakterien auf der Nordhälfte der Erde so ausgerichtet, dass sie sich beim Schwimmen in Richtung auf den magnetischen Nordpol bewegen. Wegen der Inklination des Erdmagnetfelds außerhalb der Äquatorregion ist die Bewegung schräg nach unten gerichtet. Bei magnetotaktischen Bakterien auf der Südhälfte der Erde wird dasselbe bewirkt, indem die Polarität so ausgerichtet ist, dass sie sich in Richtung auf den magnetischen Südpol bewegen[5].

Diese Abwärtsbewegung bewirkt, dass die Bakterien auf kurzem Weg in die Grenzschicht des Wassers dicht über dem Sediment gelangen. Dort ist wegen der höheren Sauerstoffzehrung beim Abbau organischer Stoffe im Sediment die Sauerstoffkonzentration niedrig. Außerdem stehen in diesem Bereich organische Stoffe in höherer Konzentration zur Verfügung als in höher gelegenen Wasserschichten. Dies sind günstige Bedingungen für die heterotrophen mikroaerophilen Bakterien.

Eine Alternative zur Magnetotaxis ist die Chemotaxis, die bei nicht-magnetotaktischen Bakterien zum selben Ziel führen kann. Chemotaxis beruht aber auf dem Prinzip „Versuch und Irrtum“, so dass chemotaktische Bakterien das Ziel nur auf Umwegen erreichen.

Sonstiges Vorkommen[Bearbeiten]

Der Phytoflagellat Anisonaema (Euglenophyceae), der in brasilianischen Küstengewässern zu finden ist, kann sich ebenfalls mithilfe von Magnetosomen am Magnetfeld der Erde orientieren, ebenso Grünalgen (Volvox aureus, Palmer 1963)[6] und Pflanzen[7]

Bei einigen höheren Lebewesen, auch bei Wirbeltieren, wurden Magnetosomen im Bereich der Ohren oder im Gehirn nachgewiesen. Man nimmt an, dass sie bei der Orientierung der Bewegung dieser Lebewesen eine wichtige Rolle spielen.

Bei der Auswertung von Satellitenfotos wurde festgestellt, dass Rinder, Hirsche und Rehe bevorzugt in Nord-Süd-Richtung grasen. Unter Hochspannungsleitungen, die in Süd-Ost-Richtung oder Nord-West-Richtung verlaufen, ist die Ausrichtung zufällig. Unter Leitungen, die in West-Ost-Richtung verlaufen, erfolgt das Grasen in ebendieser Richtung, die elektromagnetischen Felder von Hochspannungsleitungen beeinflussen also den „inneren Kompass“ dieser Tiere.[8] Eine 2011 veröffentliche Arbeit mit größerer Datenbasis konnte hingegen keine Abhängigkeit der Ausrichtung der Tiere vom Erdmagnetfeld feststellen. Dementsprechend halten die Autoren es für falsch, eine Störung des Magnetsinns von Rindern anzunehmen und deuten die Ergebnisse der vorgehenden Arbeit als Fehler in der Datenauswertung.[9] Inwieweit derartige elektromagnetische Felder das Verhalten von Tieren, die über einen Magnetsinn verfügen (Zugvögeln, Bienen und Brieftauben), beeinflusst, wurde noch nicht untersucht.

Geowissenschaftliche Bedeutung[Bearbeiten]

Die Fähigkeit der magnetotaktischen Bakterien wird in der Magnetostratigraphie benutzt, um die Polarität des Magnetfeldes in der Erdgeschichte zu rekonstruieren. Denn nach dem Absterben der Bakterien und der Fixierung im Sediment bewahren die erhaltungsfähigen Ketten von Magnetitkristallen die Polarität und die Inklination des Magnetfelds zu einer bestimmten Zeit in der Erdgeschichte.

In der geomagnetischen Prospektion archäologischer Fundstätten lässt sich die Konzentration der Magnetitkristalle in vormals von den magnetotaktischen Bakterien zersetzten organischen Materialien nachweisen: So können z. B. Pfostenlöcher, Abfallgruben oder verfüllte Gräben etwa in neolithischen (jungsteinzeitlichen) Siedlungen nachgewiesen werden.

In der Technik sind die besonders effektiv magnetisierten, mikroskopischen Körner von Interesse für die Datenspeicherung.

Literatur[Bearbeiten]

Christopher T. Lefèvre, Dennis A. Bazylinski: Ecology, Diversity, and Evolution of Magnetotactic Bacteria. In: Microbiology and Molecular Biology Reviews. Vol. 77, No. 3, September 2013, S. 497-526.

Siehe auch[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Yuri A. Gorby, Terry J. Beveridge, Richard P. Blakemore: Characterization of the bacterial magnetosome membrane. In: Journal of bacteriology. Bd. 170, Nr. 2, Februar 1988, S. 834-841. PMC 210730 (freier Volltext)
  2. Karen Grünberg, Eva-Christina Müller, Albrecht Otto, Regina Reszka, Dietmar Linder, Michael Kube, Richard Reinhardt, Dirk Schüler: Biochemical and Proteomic Analysis of the Magnetosome Membrane in Magnetospirillum gryphiswaldense. In: Applied and Environmental Microbiology. Bd. 70, Nr. 2, Februar 2004, S. 1040-1050.
  3. Arash Komeili, Zhuo Li, Dianne K. Newman, Grant J. Jensen: Magnetosomes are cell membrane invaginations organized by the actin-like protein MamK. In: Science. Bd. 311, Nr. 5758, 13. Januar 2006, S. 242-245. PMID 16373532
  4. Universität Marburg, abgerufen am 17.Dezember 2011
  5. Martin Dworkin, Stanley Falkow, Eugene Rosenberg, Karl-Heinz Schleifer, Erko Stackebrandt (Hrsg.): The Prokaryotes - A Handbook on the Biology of Bacteria. Bd. 2: Ecophysiology and Biochemistry. 3. Auflage, Springer Verlag, New York 2006, ISBN 978-0-387-25492-0, S. 844, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche
  6. Universität Marburg, abgerufen am 17. Dezember 2011
  7. Galland, Mazur: Magnetoreception in plants; Faksimile J. Plant Res (2005) 118.371-389; abgerufen am 17. Dezember 2011
  8. Artikel Überlandleitungen stören Kuh-Kompass. bei: Spiegel.de, abgerufen am 17. Dezember 2011.
  9. J. Hert, L. Jelinek, L. Pekarek, A. Pavlicek: No alignment of cattle along geomagnetic field lines found. In: Journal of Comparative Physiology A. 197, Nr. 6, 1. Juni 2011, S. 677–682. ISSN 1432-1351. doi:10.1007/s00359-011-0628-7.