Pantoffeltierchen

In meiner Maturaarbeit geht es um ganz besondere Lebewesen: Um Pantoffeltierchen! Der Name ist trügerisch. Es sind nämlich keine Tiere, sondern tierähnliche Einzeller. Du findest sie in Tümpeln, Teichen, Seen, Flüssen oder Wasserpfützen. Es sind rundum bewimperte, mikroskopisch kleine (50–300 μm) Lebewesen, deren Gestalt einer Pantoffel ähnelt. 
An diesen Einzellern kannst du hervorragend die Nahrungsaufnahme, Verdauung und Ausscheidung primitiver Lebensformen unter dem Mikroskop erforschen. Am besten gelingt das, wenn wir die Nahrung, etwa Bäckerhefe, mit einem pH-Indikator einfärben. Der Farbumschlag bei verändertem pH-Wert gibt uns einen tieferen Einblick in den Verdauungsprozess. 

Leider ist der dafür gebräuchliche pH-Indikator Kongorot krebserregend und damit nicht für Schulen geeignet. Die vorliegende Maturaarbeit hat zum Ziel, ungiftige Ersatzstoffe zu finden, die im Unterricht gleichwertige Ergebnisse liefern wie Kongorot. 

Die Untersuchungen führte ich mit zwei Durchlichtmikroskopen durch: mit einem Leica DM E der Kantonsschule Heerbrugg (mit Adapter für Spiegelreflexkamera und Smartphone) und einem Zeiss-Axiolab-5 -Mikroskop aus dem Gerätepark des Berzelius-Projekts  der Pädagogischen Hochschule St. Gallen (PHSG). Das Axiolab 5 erlaubte es mir, auch bei starken Vergrösserungen Bilder mit kurzen Belichtungszeiten zu schiessen. Dies ist notwendig, um die sehr feinen und sich schnell bewegenden Cilien («Wimpern») scharf abzulichten. Neugierig geworden? Dann komm doch mit auf meine Forscherreise durch den Mikrokosmos dieser faszinierenden Kleinstlebewesen.

Besser sind die ständig schlagenden feinen Wimperhärchen (Cilien) auf der Zelloberfläche des Pantoffeltierchens mit dem Zeiss Axiolab 5 aus dem Berzelius-Projekt der PHSG beobachtbar. Die Cilien verursachen eine kontinuierliche Wasserströmung. Infolge der verwendeten Gelatinelösung ist diese in der Aufnahme stark verlangsamt.

Hintereinander stehende Cilien schlagen zeitlich verschoben. Auf diesem Bild  sind einige gerade beim «Kraftschlag», andere beim anschliessenden «Erholungschlag» zu erkennen. Auch das konnte ich nur mit dem Zeiss Axiolab 5 erkennbar aufnehmen.

Hast du jemals einem tierischen Einzeller beim Fressen zugeschaut? Was sich dabei abspielt, zeigt sich schon unter einem simplen Mikroskop, das vermutlich in den meisten Schulen zu finden ist. Sieh selbst!

Das geht für uns Laien in einem normalen Video zu schnell. Nachfolgend illustriere ich den Fressvorgang mit Hilfe von Skizzen und Mikroskopaufnahmen.

Wenn dich dieser Text vor dem Video stört, dann gehe rechts oben aufs Menü und blende ihn aus.

Wie du gesehen hast, sind die Vorgänge der Verdauung unter dem Mikroskop schwierig zu erkennen. Darum erkläre ich diesen Prozess nochmals anhand einiger Skizzen.

Mithilfe der Wimpernbewegung lässt das Pantoffeltierchen Nahrungspartikel in sein trichterförmigens Mundfeld strömen (1). Am Ende dieser breiten Vertiefung, dem Zellmund, sammeln sich die Hefezellen.

Im trichterförmigen Zellmund (=Mundfeld) werden die Nahrungsteilchen in Richtung Zellschlund bewegt (1). An seinem Ende werden sie in einem Nahrungsvesikel abgeschnürt (2), das anschliessend auf einer ovalen Bahn durch die Zelle befördert wird. Diese Beförderung heisst Cyclose und erfolgt in der Anordnung der Skizze gegen den Uhrzeigersinn.

Diese Aufnahme von Substanzen aus dem Extrazellularraum in die Zelle wird allgemein als Endozytose bezeichnet und heisst bei fester Nahrung Phagocytose.

Wir sehen uns den Vorgang des Einstrudelns nun unter dem Mikroskop an. Der rote Pfeil markiert eine Hefezelle, die gerade eingestrudelt wurde und sich schon im Zellmund befindet.

Diese Hefezelle ist in dieser Abbildung am Ende des Zellschlunds (siehe Pfeil) angelangt.

Hier sind bereits drei Hefezellen (siehe Pfeil) im Zellschlund. Sie werden in ein Membranbläschen geschoben. Die Membranbläschen heissen «Vesikel» und wenn sie Nahrung enthalten «Nahrungsvesikel».

Das Nahrungsvesikel ist fast vollständig gefüllt und wird demnächst abgeschnürt. Abschnüren bedeutet, dass sich die Zellmembran um die Hefezellen wölbt und sie einschliesst. Bereits jetzt lässt sich dessen beerenförmige Struktur erkennen, die durch die enthaltenen Hefezellen gebildet wird (siehe Pfeil).

Das Nahrungsvesikel ist abgeschnürt: Es hat sich vom Zellschlund gelöst und wird vom Zellskelett (=Cytoskelett) weiterbefördert, dem Transport und Stützsystem der Zelle. Die Cyclose beginnt.

Auf seinem Weg durch die Zelle fusioniert das Nahrungsvesikel bald mit weiteren Vesikeln zu einer Nahrungsvakuole. Vakuolen entstehen also durch Verschmelzung mehrerer Vesikel.

Das Hintergrundbild zeigt Hefen, die ich mit den drei pH-Indikatoren Kongorot (links), Bromphenolblau (Mitte) und Bromkresolgrün (rechts) färbte. Oben in neutraler Umgebung bei einem pH-Wert von 7 und unten in saurer Umgebung bei einem pH-Wert von 2.

Ich gab die gefärbten Hefen in Phosphatpufferlösungen nach Sørensen, die auf pH-Werte von 7 bzw. 2 eingestellt waren. Diese Aufnahmen dienten mir als Farbreferenzen, um farblich umgeschlagene Hefen in Nahrungsvakuolen zweifelsfrei als solche zu identifizieren.

Alle Fotos habe ich aufgenommen mit dem Equipment des Berzelius-Projekts (Zeiss Axiolab 5 und Zeiss Axiocam 208 ) bei 400- oder 630-facher Vergrösserungt.

Wenn ihr das Hintergrundbild ohne den darüber liegenden Text betrachten wollt, müsst ihr das Menü rechts oben öffnen und «Text ausblenden» wählen.

Für die Videoaufnahmen der Pantoffeltierchen habe ich meist das Durchlichtmikroskop Leica DM E der Kantonsschule Heerbrugg verwendet. Der Revolver des Mikroskops ist mit Objektiven für eine 40-, 100-, 400- und 1000-fache Vergrösserung bestückt.

Eine Canon EOS 800D Spiegelreflexkamera war über einen T2-Adapter an einem MTD-DSLR Spiegelreflex-Adapter befestigt, der anstelle eines Okulars am Mikroskoptubus befestigt werden kann (Hersteller: Mikroskop Technik Diethelm).

Die gesamte Einheit zeichnet sich durch ihre rasche Nachführung und die Farbtreue der Aufnahmen aus, was sehr wichtig ist für das Fotografieren der sich schnell bewegenden Pantoffeltierchen.

Auf dem Durchlichtmikroskop Leica DM E verwendeten die Schüler und ich einen Adapter für Spektive (SA-1 der Firma Dörr), um ein Smartphone am Okular befestigen zu können. Das Fotografieren mit dieser Kombination ist viel einfacher als mit einer Spiegelreflexkamera. Ausserdem können die Schüler so mit ihrem eigenen Gerät fotografieren. Sie ist deswegen eine gute Wahl für den Einsatz im Unterricht.

Die mikroskopischen Fotos speicherte ich entweder im CR2-Format (Canon EOS 800D) oder im TIF-Format (Axiocam 208). Nachbearbeitet habe ich sie mit dem Programm Affinity Photo von Serif.

Ich verbesserte ausschliesslich Belichtung, Kontrast und Weissabgleich. Mit Affiunity Photo konnte ich Bilder in allen gängigen Formaten lesen und und ausgeben.

Die Videoaufnahmen speicherte ich ohne weitere Bearbeitung als MP4-Format.

Dünn ausgezogene Verbandswatte bildet im Präparat ein Netz, das die Bewegungsfreiheit der Pantoffeltierchen einschränkt. Die Anwendung ist einfach und deshalb beliebt bei Experimenten im Unterricht. Nachteilig ist, dass die Watte das Präparat verdunkelt und teilweise verdeckt.

Anfangs verwendete ich 2%ige Methylcelluloselösung zur Ruhigstellung. Sie wirkt wie ein Kleister und schränkt die Bewegung der Paramecien sehr gut ein. Leider verursachte die Methylcellulose Schlieren, was für verschwommene Bilder sorgte.

3%ige Gelatinelösung ist im Vergleich zu Methylcellulose deutlich besser geeignet. Sie verlangsamt die Pantoffeltierchen genügend, fast ohne Schlieren zu bilden. Nachteilig ist allerdings die schwierige Handhabung. Die Gelatine muss sehr gut mit der Kulturlösung und der Hefesuspension vermischt werden, um die Bewegung der Pantoffeltierchen gleichmässig im gesamten Präparat einzuschränken. Zusätzlich blähen sich manche Zellorganellen auf, wenn Pantoffeltierchen längere Zeit der Gelatine ausgesetzt sind. Im Hintergrundbild seht ihr eine kugelig aufgeblasene Vakuole.