Zwei Arten von Zilien in einem Paramecium

Paramecia sind einzellige Mikroorganismen, die in Süßwasser- und Meeresumgebungen leben. Sie gehören zum Stamm Ciliophora, den bewimperten Protozoen. Ein Zilien ist eine kurze, haarähnliche Struktur, die aus der Zellmembran eines Organismus herausragt. Ein Paramecium hat Tausende von Zilien, die rhythmisch schlagen und ihm eine Möglichkeit bieten, sich zu bewegen und Nahrung in seine Mundhöhle zu spülen. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass verschiedene biochemische Motoren die Zilienfunktion im Paramecium antreiben.

Paramecia kommen in vielen Arten vor und haben eine Länge zwischen 50 und 330 Mikrometern – ungefähr ein Tausendstel bis ein Hundertstel Zoll. Die Zellmembran oder Häutchen ist durchgehend mit Flimmerhärchen bedeckt. Paramecia fressen Bakterien, Algen und andere winzige Kreaturen, indem sie sie über eine mit Zilien bedeckte Mundhöhle aufnehmen, die von der Vorderseite der Zelle bis zur Mitte verläuft. Das Paramecium schwimmt herum, indem es seine Zilien im Einklang schlägt, aber die Zilien, die die Mundhöhle umgeben, schlagen in einem anderen Rhythmus.

Die Struktur eines Ziliens ist ein Bündel von Mikrotubuli, bekannt als Axonem, das an einem Basalkörper auf der Zelloberfläche befestigt ist. Ein Mikrotubulus besteht aus etwa 13 Protofilamenten, langen Zylindern, die sich nebeneinander ausrichten, um die hohle Röhrenform des Mikrotubulus zu bilden. Ein Axonem enthält neun äußere Paare von Doppelmikrotubuli und zwei zentrale singuläre Mikrotubuli. Verschiedene Brücken verbinden die Mitglieder beider Mikrotubuli-Arrays und verbinden die beiden Arrays miteinander. Proteine, die als molekulare Motoren bekannt sind, lassen die Zilien schlagen.

Ein Cilium schlägt, weil bestimmte molekulare Motoren ihre Form ändern. Die Motoren beziehen Energie aus Adenosintriphosphat oder ATP, der universellen biochemischen Energiespeicherung. Wenn eine chemische Reaktion eine Phosphatgruppe aus ATP freisetzt, drehen sich die molekularen Motoren innerhalb der Verbindungsbrücken zwischen den Axonemen. Das Ergebnis ist, dass sich ein Mikrotubulus relativ zu einem anderen bewegt und die Zilien in Bewegung setzt. Während die Zilienstrukturen, die ein Paramecium antreiben, identisch mit den Strukturen sind, die Nahrung in im Mund verwenden die beiden Aktionen unterschiedliche molekulare Motoren und arbeiten mit unterschiedlichen Frequenzen und Stärken.

Im Jahr 2013 manipulierten Forscher der Brown University unter der Leitung des Doktoranden Ilyong Jung die Viskosität der Flüssigkeit, die Paramecia umgibt. Ausgehend von Wasser erhöhten sie die Dichte der Flüssigkeit bis auf das Siebenfache. Sie fanden heraus, dass eine höhere Viskosität die schwimmenden Flimmerhärchen verlangsamte, aber kaum die fressenden Flimmerhärchen beeinflusste. Eine Verdopplung der Viskosität reduzierte die Schwimmwirkung um etwa die Hälfte, aber selbst bei einer siebenfachen Erhöhung verlangsamte sich die Fütterung der Flimmerhärchen nur um etwa 20 Prozent. Da alle Zilien dieselbe Struktur aufweisen, kann nur ein Unterschied im molekularen Motor die Ergebnisse erklären. Die genauen zugrunde liegenden Mechanismen werden weiterhin untersucht.