Magnetotaxis

Als Magnetotaxis wird die Orientierung der Bewegungsrichtung von Lebewesen mit Magnetsinn in einem Magnetfeld bezeichnet. Ökologisch bedeutend ist die Orientierung (Taxis) am Magnetfeld der Erde. Nach bisherigen Erkenntnissen können dabei Magnetosomen eine Rolle spielen. Magnetosomen besitzen einen Eigenmagnetismus und tendieren zu einer Ausrichtung in Magnetfeldern. Anders als bei der Chemotaxis oder der Phototaxis wurden bisher für den Eisenmineral-basierten Magnetsinn nur erste Hinweise auf ein sensorisches System gefunden.

Aufbau und Morphologie von Magnetosomen

Magnetosomen bestehen aus membranumgebenen Magnetit- (Fe^III₂Fe^IIO₄) oder Greigitkristallen (Fe^III₂Fe^IIS₄) 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 ausknospenden Magnetosomenvesikeln bestätigt. 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

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

Magnetotaxis bei Bakterien wurde erstmals 1975 von Richard P. Blakemore in Science beschrieben.

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, zum Beispiel die Arten Magnetospirillum gryphiswaldense, Magnetospirillum magnetotacticum, Aquaspirillum magnetotacticum. Taxonomie handelt es sich um Vertreter der Phyla Nitrospirae und Proteobakterien. Bei den letztgenannten sind sie in den Klassen Alpha-, Gamma- und Deltaproteobacteria zu finden.

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.

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

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) und Pflanzen.

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 Rolle spielen.

Bei der Auswertung von Satellitenfotos wurde 2008 festgestellt, dass Rinder, Hirsche und Rehe bevorzugt in Nord-Süd-Richtung grasen. Unter Hochspannungsleitungen, die in Süd-Ost-Richtung oder Nord-West-Richtung verlaufen, war die Ausrichtung hingegen zufällig. Die Interpretation dieser Befunde war allerdings zunächst umstritten (Details siehe Magnetsinn#Rinder und Hirsche). Beobachtungen von Oldenburger Biologen an Rotkehlchen belegten jedoch, dass menschengemachte elektromagnetische Felder auch die Orientierung von Zugvögeln im Erdmagnetfeld stören können.

Geowissenschaftliche Bedeutung

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

• Stephen Mann, Nick H. C. Sparks und Ron G. Board: Magnetotactic Bacteria: Microbiology, Biomineralization, Palaeomagnetism and Biotechnology. In: Advances in Microbial Physiology. Band 31, 1990, S. 125–181, doi:10.1016/S0065-2911(08)60121-6.
• Christopher T. Lefèvre, Dennis A. Bazylinski: Ecology, Diversity, and Evolution of Magnetotactic Bacteria. In: Microbiology and Molecular Biology Reviews. Band 77, Nr. 3, 2013, S. 497–526, doi:10.1128/MMBR.00021-13.
• Tilo von Dobeneck, Nikolai Petersen und Hojatollah Vali: Bakterielle Magnetofossilien. In: Geowissenschaften in unserer Zeit. Band 5, Nr. 1, 1987, S. 27–35, doi:10.2312/geowissenschaften.1987.5.27.

Siehe auch

• Pflanzenbewegung

Weblinks

• Frag den Lesch-Videobeitrag zur Magnetotaxis-Studie des Jahres 2011.

Einzelnachweise

1. Dominik Heyers, Manuela Zapka, Mara Hoffmeister, John Martin Wild und Henrik Mouritsen: Magnetic field changes activate the trigeminal brainstem complex in a migratory bird. In: PNAS. Band 107, Nr. 20, 2010, S. 9394–9399, doi:10.1073/pnas.0907068107.
   Zugvögel besitzen zwei Magnetsinne. Auf: idw-online.de vom 5. April 2010.
2. Yuri A. Gorby, Terry J. Beveridge, Richard P. Blakemore: Characterization of the bacterial magnetosome membrane. In: Journal of bacteriology. Bd. 170, Nr. 2, 1988, S. 834–841, PMC 210730 (freier Volltext).
3. 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.
4. 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, 2006, S. 242–245, PMID 16373532.
5. Richard P. Blakemore: Magnetotactic bacteria. In: Science. Band 190, Nr. 4212, 1975, S. 377–379, doi:10.1126/science.170679.
6. Universität Marburg, abgerufen am 17. Dezember 2011.
7. Jens Boenigk: Boenigk, Biologie, 2021, Springer Verlag ISBN 978-3-662-61270-5.
8. 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.
9. Universität Marburg, abgerufen am 17. Dezember 2011.
10. Galland, Mazur: Magnetoreception in plants; Faksimile In: J. Plant Res. 118, 2005, S. 371–389, abgerufen am 17. Dezember 2011.
11. Sabine Begall, Jaroslav Červený, Julia Neef, Oldřich Vojtčch, Hynek Burda: Magnetic alignment in grazing and resting cattle and deer. In: PNAS. Band 105, Nr. 36, S. 13451–13455, 2008, doi:10.1073/pnas.0803650105.
12. Svenja Engels et al.: Anthropogenic electromagnetic noise disrupts magnetic compass orientation in a migratory bird. In: Nature. Band 509, 2014, S. 353–356, doi:10.1038/nature13290.
    Wirres Flattern im Elektrosmog. Auf: zeit.de vom 8. Mai 2014