Schleimpilz baut U-Bahn

Was können wir von einem einzelligen Organismus lernen?

Physarum polycephalum ist zwar klein, aber faszinierend. Er gehört zur Gruppe der Schleimpilze - das sind Einzeller, die Eigenschaften von Tieren und von Pilzen besitzen, ohne dass es sich jedoch um Tiere oder Pilze handelte. Physarum muss dabei in seinem Leben drei wesentlich verschiedene Phasen durchmachen, gegen die die menschliche Pubertät wie ein Kinderspiel wirkt.

Nachdem die Sporen des Schleimpilzes bis zu vier Protoplasten freigegeben haben, entwickeln sich daraus einkernige Einzeller, die sich je nach Umgebung kriechend (trocken) oder rudernd (feucht) fortbewegen. Bakterien und Sporen dienen als Nahrung, die Vermehrung erfolgt durch Zellteilung. Bei veränderten Bedingungen können die Zellen ihre Struktur auch verändern. Treffen nun zwei Zellen gleicher Art zusammen, verschmelzen Kerne und Zellen zu einem so genannten Plasmodium miteinander. Das wiederum dehnt sich immer mehr aus, wobei sich sein Zellkern immer wieder teilt. Die Zelle wird dann irgendwann so groß, dass sie mit dem bloßen Auge sichtbar ist und eine Fläche von einem Quadratmeter einnehmen kann. Die schleimige Zelle (daher der Name) ist nach wie vor beweglich. Unter bestimmten Bedingungen beginnt sie schließlich, Fruchtkörper auszubilden. Der Zellkörper bildet dabei einen Stil mit oben sitzendem Hut aus, auf dem sich die Sporen befinden - und der Zyklus beginnt von neuem.

Neu und damit der Anlass für diesen Artikel ist aber nicht der Lebenszyklus von Physarum, sondern dessen Fähigkeiten. Vor ein paar Jahren war es zum Beispiel einem britisch-japanischen Forscherteam gelungen, den Schleimpilz als Piloten eines Roboters einzusetzen. Dazu nutzten sie aus, dass Physarum den Einfluss von Licht zu vermeiden sucht. Jetzt musste man nur noch diese Bewegungen auf die Maschine übertragen, und fertig war der lichtscheue Roboter. Einen praktischen Einsatzzweck konnten die Forscher damals dafür zwar nicht finden, doch man versprach immerhin, damit einen wichtigen Schritt hin zum autonomen Roboter vollbracht zu haben.

Ein Stück näher an der Praxis ist da schon das Kunststück, das erneut ein japanisch-britisches Team (aber nicht das gleiche) dem Schleimpilz nun beigebracht hat. Im Wissenschaftsmagazin Science berichtet die Gruppe davon. Zum Einsatz kommt der Pilz erneut in seinem zweiten Stadium, wenn er sich auf Nahrungssuche sichtbar ausbreitet. Die Art und Weise dieser Ausbreitung hat die Natur nämlich clever, das heißt sparsam, gelöst. Zwar dehnt sich Physarum gleichmäßig in alle Richtungen aus. Hinter der Frontlinie jedoch ist das wertvolle Zellmaterial nicht mehr großflächig vorhanden. Stattdessen verbinden kleine Röhrchen die in der Natur gefundenen Nahrungsquellen miteinander. Zusätzliche Zwischenstücke verringern die Zeit, die der Nährstofftransport braucht.

Ein interessantes Experiment zeigte, dass diese rein biologischen Mechanismen für eine sehr effiziente Konstruktion des entstehenden Verbindungsnetzes sorgen. Die Forscher haben nämlich Tokios S-Bahn-Stationen in Form von Nahrungshäufchen dargestellt. Der Pilz band diese in seinen Körper ein. Unter Beachtung der Geografie ergaben sich damit verblüffenderweise Graphen, die dem Streckennetz der Tokioter S-Bahn erstaunlich ähnlich sahen - und ihnen an Effizienz nicht nachstanden. Deshalb kann und soll der Schleimpilz aber noch lange keinen Streckenplaner ersetzen. Es gelang den Forschern jedoch auch, die der selbstorganisierenden Optimierung zugrunde liegende Mathematik zu erfassen. Dank der Erfahrung der Evolution hoffen die Wissenschaftler, auch für andere selbstorganisierte Netzwerke ohne zentrale Steuerung effizientere Strukturen zu finden.

Vergleich des Physarum-Netzwerks mit dem Netz der Tokioter Eisenbahn. Ohne Lichteinfluss (A) entstand das Physarum-Netzwerk aus einer gleichmäßigen Exploration des vorhandenen Raums. Eine Belichtungsmaske simuliert in (B) geografische Grenzen - der Pilz reagiert auf Lichteinfluss negativ. (C) zeigt das sich so ergebende Netz, das dem Tokioter Stadtbahnplan (D) erstaunlich ähnlich sieht. (E) zeigt den kleinstmöglichen, alle Stationen verbindenden Baum, in (F) sind zusätzliche Verbindungen eingezeichnet.

http://www.heise.de/tp/artikel/31/31941/1.html