Neuroanatomie eines Tardigraden

[Ole Riemann]

Liebe Foristen,

Ich habe mich in der letzten Zeit eingehender mit Tardigraden aus Moospolstern beschäftigt und möchte hier einen Einblick in die Struktur des Nervensystems von Milnesium tardigradum geben. M. tardigradum findet man überall in trockeneren Moospolstern, die angefeuchtet und dann in eine Petrischale ausgedrückt werden. Die Art ist relativ groß (meine Exemplare waren gestreckt ca. 750 µm lang) und charakterisiert durch vorstreckbare Papillen um die Mundöffnung, zwei auffallend lange Krallenäste pro Bein und einen Pharynx ohne Plakoide.

Im Zusammenhang mit meinen Beobachtungen habe ich in aktueller Fachliteratur gelesen und dabei viele interessante Hintergründe erfahren – auch, warum das Nervensystem der Tardigraden in aktuellen Forschungsvorhaben der phylogenetischen Systematik, also der Wissenschaft, die sich mit der Rekonstruktion der Evolution und der Aufklärung der Verwandtschaftsverhältnisse beschäftigt, eine besondere Rolle spielt. Der nur Foto-Interessierte kann den folgenden Teil natürlich überspringen ...

Dass Tardigraden immer wieder Objekte der wissenschaftlichen Forschung sind, liegt zum einen an ihrer bemerkenswerten Fähigkeit, ungünstige Umweltbedingungen in Form resistenter Dauerstadien mit stark reduzierter Stoffwechseltätigkeit (Kryptobiose) zu überstehen. Zum anderen spornt ihre nach wie vor nicht endgültig geklärte stammesgeschichtliche Verwandtschaft zu anderen Organismen Zoologen und Evolutionsforscher an, sich mit dieser Gruppe befassen. Tardigraden werden nach heutigen Vorstellungen meist in die Nähe der Arthropoden gestellt. Ihre genaue Verwandtschaft zu den Arthropoden und zu den rätselhaften ,,lebenden Fossilien", den Onychophoren (Stummelfüßer), die zusammen mit Tardigraden und Arthropoden in einer als Panarthropoden bezeichneten Großgruppe stehen, wird jedoch noch diskutiert. Neben dem Panarthropoden-Konzept gibt es auch publizierte Verwandtschaftsverhältnisse, die die Tardigraden in enger Verwandtschaft der Nematoden platzieren.

Obwohl heutzutage bei der stammesgeschichtlichen Verwandtschaftsanalyse vorrangig molekulare Merkmale in Form von Gensequenzen herangezogen werden, ist man manchmal doch auf die Morphologie als zusätzliche Informationsquelle angewiesen. Dies kann z.B. dann notwendig sein, wenn bestimmte Organismengruppen ein hohes stammesgeschichtliches Alter aufweisen und im System sehr isoliert stehen. Bei ausschließlich molekularen Analysen kann es passieren, dass solche Organismen aufgrund zufälliger Ähnlichkeiten mit der Gensequenz anderer Gruppen falsch im Stammbaum platziert werden. Wenn dieser Verdacht besteht, zieht man auch morphologische Merkmale heran. Zur Aufklärung der stammesgeschichtlichen Verwandtschaft der Tardigraden – die für molekulare Analysen genau eine solche Problemgruppe darstellen – haben sich morphologische Begleituntersuchungen der letzten Jahre insbesondere der Struktur des Nervensystems zugewandt. Hierfür nutzt man heute fluoreszenzbasierte mikroskopische Verfahren, bei denen Antikörper gegen Bestandteile des Nervensystems (z.B. Tubulin in den Axonen, Neurotransmitter) eingesetzt werden. Solche Untersuchungen widmen sich vergleichend der Struktur des Nervensystems bei Tardigraden, Onychophoren und Arthropoden und klären beispielsweise, ob die Nervenzellen in segmentalen Ganglien oder diffus über einen Nervenstrang verteilt liegen, wie die Ganglien miteinander verbunden sind, wie die Muskulatur der Extremitäten innerviert wird und wo sich bestimmte Nervenzellen mit charakteristischen Neurotransmittersignaturen befinden. Im Ergebnis belegen solche Untersuchungen ein Schwestergruppenverhältnis der Tardigraden und Arthropoden; die Onychophoren wären dann das nächstverwandte Taxon.

Mir war immer schon aufgefallen, dass das Nervensystem lebender Tardigraden auch im einfachen Durchlicht-Hellfeldmikroskop bei dünnen Präparaten gut zu mikroskopieren ist – insbesondere dann, wenn die Tiere mit der Bauchseite zum Deckglas zeigen. Daher habe ich mich etwas systematischer mit der Frage befasst, welche Strukturen des Nervensystems bei Tardigraden auch schon mit einfacher Durchlichtmikroskopie am lebenden Objekt sichtbar gemacht werden können. Entsprechend den Empfehlungen der Fachliteratur habe ich die Untersuchungsobjekte für ca. 24 h unter Deckglas in einem Hohlschliffobjektträger asphyktisch werden lassen (reversible Bewegungslosigkeit aufgrund abnehmender Sauerstoffkonzentration bei gleichzeitiger Streckung) und sie dann – mit der Ventralseite zum Deckglas und unter Zuhilfenahme von dünnen Wachsfüßchen zum Abstützen des Deckglases – mikroskopiert (Zeiss Axioplan mit Plan-Neofluaren, Hellfeld und DIK).

In der folgenden Tafel zeigt das erste Bild ein asphyktisches, annähernd gestrecktes Exemplar mit der für die genauere Untersuchung gewählten Orientierung (Objektiv 20:1). Die Teilabbildung rechts (Objektiv 40:1) zeigt neben den Beinpaaren 1-3 (Bp1-3) schon die auffälligsten Komponenten des zentralen Nervensystems in Form von 4 Ganglien (*), also lokalen Konzentrationen von Nervenzellkörpern. Daneben treten Längs- und Diagonalmuskelzüge, die in die Extremitäten ziehen, in Erscheinung. Die untere Darstellung ist eine Montage dreier Aufnahmen (Objektiv 100:1 Öl). Die Ganglien 1-4 (Ga1-4) liegen zwischen ca. 125 und 175 µm voneinander entfernt und zeigen jeweils eine anterio-posteriore Ausdehnung zwischen ca. 25 und 40 µm.



Die folgende Abbildung zeigt das zweite Ganglion (Ga2) in leicht unterschiedlichen Fokusebenen (Objektiv 100:1). Neben dem Ganglion erkennt man ventrale Längsmuskelstränge (vlm), schräge Muskelstränge (sm) und runde Speicherzellen mit körnigem Cytoplasma und kleinem Kern (sz). Folgende Einzelheiten der Architektur des Nervensystems konnte ich mit Hilfe aktueller Fachliteratur erkennen und zuordnen: pbn = posteriorer Beinnerv, abn = anteriorer Beinnerv, pn = peripherer Nerv, kn = Konnektiv, ipc = Interpedalkommissur. Die linke Teilabbildung zeigt noch zwei Ansatzstellen der Körpermuskulatur an der Kutikula (*), die rechte Teilabbildung die Innervation zweier Längsmuskelzüge unmittelbar aus dem 2. Ganglion (Pfeilspitzen).



Zum Abschluss noch eine Detaildarstellung des ersten Ganglions unmittelbar hinter dem Pharynx. Zusätzlich zu den vorigen Abbildungen zeigt sich hier eine Differenzierung innerhalb des Ganglions: die mit Pfeilspitzen versehenen Bereiche markieren Fasern, die in die Konnektive hineinziehen. Hierbei handelt es sich um feine Fortsätze der Neuronen, die Zellkörper und -kerne liegen vermutlich zwischen und außerhalb der Faserbereiche in den Ganglien.



Nicht unerwähnt soll jedoch bleiben, dass meine Fotos nur die auffälligsten, am meisten konzentrierten Bereiche des Nervensystems zeigen. Neben der ventralen Ganglienkette besteht das Nervensystem der Tardigraden aus einem dorsalen Gehirn und zahlreichen peripheren Anteilen, die teilweise auch unscheinbare Ganglien bilden. Der dargestellte periphere Nerv (pn) beispielsweise, der jedes Ganglion der ventralen Kette zur Peripherie ziehend verlässt, versorgt solche peripheren Anteile des Nervensystems.

Viele Grüße

Ole

[Fahrenheit]

Lieber Ole,

ein faszinierender Beitrag zu einem sehr inetressanten Thema und mit guten Bildern!
Danke fürs Zeigen!

Herzliche Grüße
Jörg

[reblaus]

Lieber Ole -

Deine Fotos sind für mich ein Genuss - umso mehr als Zoologie einst mein Hauptfach war, bevor ich über die Mykologie bei den Reben gelandet bin!
ich freue mich schon auf weitere Beträge!

Viele Grüße

Rolf

[A. Büschlen]

Lieber Ole,

sehr interessant geschriebener Beitrag der mit Bildern gut dokumentiert ist. Deine DIK Bilder zeigen einen sehr feinen Farbton und Kontrast!

Besten Dank für den Einblick in deine Arbeit.

Herzliche Grüsse

Arnold

[Michael]

Hallo Ole,

wie immer ist Dein Beitrag ein lehrreicher Genuss!

Über Tardigraden stolpere ich immer wieder mal in meinen Proben und bedauere jedesmal, dass ich bei der Bestimmung sehr unsicher bin. Kennst Du irgendwelche frei zugängliche Bestimmungsliteratur (gerne auch älter) im Internet? Den Klassiker von Ernst Marcus habe ich leider bei archive.org nicht gefunden.

Faszinierte Grüsse

Michael

[Jürgen H.]

Lieber Ole,

das sind phantastische Aufnahmen!

Und die morphologische Ähnlichkeit der Ganglienknoten  zu denen der zu den Arthropoden gehörenden Insekten scheint mir signifikant zu sein. Schau einmal hier:http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=16495.0, wobei das  Thorakalganglion von carausius morosus schon größer sein dürfte als Dein ganzes Bärtierchen.

Ich vermute, dass die großen ovalen Gebilde im Ganglion rechts neben den Pfeilen (letztes Bild von Dir) große Perikarien sind. Worum handelt es sich bei den kleinen Bläschen, die im Ganglion zu sehen sind?

Schöne Grüße

Jürgen

[Ole Riemann]

... besten Dank an alle für die freundlichen Kommentare.

@ Michael: es ist in der Tat ein Problem mit der Tardigraden-Literatur. Ich kenne keine zugängliche, aktuellere Zusammenstellung der häufigsten Arten, die man in Moosen und im Süßwasser findet (vom marinen Bereich ganz zu schweigen). Eine schöne Zusammenstellung zur Biologie der Tardigraden bietet Ian Kinchin (1994) The biology of tardigrades. Das Buch kann man noch bestellen. Ein Klassiker ist auch das Buch von H. Greven (1980) Die Bärtierchen in der Neuen Brehm-Bibliothek, aber ebenfalls ohne umfangreichen taxonomischen Teil. Die letzte taxonomisch ziemlich umfangreiche Darstellung kommt wohl von Ramazzotti und Maucci (1983), es gibt auch eine englische Übersetzung. Wie man da herankommt, weiß ich aber nicht.

@ Jürgen: vielen Dank für den interessanten Verweis auf Deine tollen histologischen Arbeiten. Als Insekten-Unkundiger habe ich mit Erstaunen festgestellt, dass im Grunde ja bis auf die Hämolymphe/Nervensystem-Schranke alle mikroskopisch erkennbaren Strukturen der Ganglien der Insekten auch bei den Tardigraden vorhanden sind. Die Ganglien bei M. tardigradum sind nur noch enger zusammengerückt, so dass die Interpedalkommissuren die einzigen unmittelbar sichtbaren Hinweise darauf sind, dass die segmentalen Ganglien paarig angelegt sind. Du magst mit Deiner Vermutung zu den Perikarien recht haben. Ich bin da sehr unsicher und kann die Strukturen im Detail nicht deuten. Auch die kleinen Bläschen sind für mich rätselhaft. Es kann aber sein, dass die Objekte durch den Sauerstoffmangel doch schon gelitten haben und präparationsbedingte Artefakte aufgetreten sind.

Viele Grüße

Ole

[Stefan K.]

Hallo Ole,
vielen Dank für diese wundervollen Bilder. Ich habe noch nie solch gute Darstellungen des Nervensystems der Bärtierchen gesehen.

Zur Bestimmungsliteratur: auch ich kenne keine frei zugängliche Literatur, mit der Bärtierchen bis zur Art bestimmt werden können. Zur Bestimmung verwende ich das Buch von Ernst Marcus aus der Reihe "Die Tierwelt Deutschlands". Dieses Buch ist ab und zu antiquarisch im Internet erhältlich und ermöglicht meist eine Bestimmung bis zur Art. Es ist zwar von 1928 und enthält daher die später entdeckten Arten nicht, reichte aber für mich bisher immer aus.

Viele Grüße,
Stefan

[Gerald]

Hallo Ole,

vielen Dank für diesen gelungenen und informativen Beitrag. Ich habe ihn abgespeichert und in meine (digitale) Bibliothek gestellt.

Viele Grüße

Gerald

[Reinhard]

Hallo Ole,

seit ich ein Mikroskop habe, schaue ich immer wieder mit "saudade" (wie der Brasilianer sagt) auf die Moosansätze auf den Dachziegeln meines Hauses, wissend, hier sitzen sie und warten darauf, heruntergeholt zu werden.
Beigetragen dazu hat auch das nette "Bärtierchenjournal" von Martin Mach

http://www.baertierchen.de/main.html

Und nun Dein toller wissenschaftlicher Beitrag über die kleinen "drolligen" (Bärt.-Journal) Racker und ihr "Nervenkostüm".
Meine Frage: Lassen sich diese Wesen in vitro vermehren/ aufbewahren?
Könntest Du mir evtl. einige überzählige zuschicken?
In meinem Alter fällt man schon mal gerne vom Dach!

viele Grüße

Reinhard

[Michael]

Hallo Reinhard,
da ich kein Tardigraden-Experte bin wollte ich eigentlich kompetentere Antworten abwarten.

Lebendkulturen von Tardigraden gibt es bei Gerald Helbig (http://www.lebendkulturen.de/index.php/kulturen/hypsibius-dujardini. Dort findest Du auch eine Kulturanleitung.

Für gelegentliche Beobachtungen halte ich aber den Kulturaufwand für zu hoch. Bärtierchen sind so häufig, dass die Probengewinnung eigentlich kein großer Aufwand ist. Bärtierchen kommen meiner Erfahrung nach in praktisch jedem (dichteren) Moospolster (natürlich in unterschiedlichen Besatzdichten) vor. Das Problem ist lediglich, dass sich die kleinen Racker recht gut festhalten, so dass bei einem einfachen Einweichen des Mooses nur die "ungeschickteren" gefangen werden. Ich habe in einem anderen Beitrag (http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=25109.15) bereits mal über meine Extraktionsmethode mit MgCl₂ berichtet. Dadurch werden auch die Tardigraden betäubt und verlieren ihren Halt im Moospolster. Nach Umsetzen in Frischwasser erholen sich die Tiere und ich konnte keine Schädigung feststellen. Bei allen Moosproben von den unterschiedlichsten Standorten, die ich mit dieser Methode behandelt habe, habe ich jeweils mehrere Arten von Tardigraden erhalten. Ein Klettern aufs Dach ist also nicht notwendig.
Wenn Du keinen Zugriff auf MgCl₂ hast, aber diese Methode mal ausprobieren willst, kann ich Dir gerne ein paar Gramm schicken - ich habe mal von eBay 1kg bezogen und habe noch gefühlt 980g übrig.

Viel Spass mit den Tardigraden,

Michael

[Ole Riemann]

Hallo Reinhard,

nun ist mir Michael schon zuvor gekommen. Tardigraden findest Du praktisch in jedem Moosbüschel - umso sicherer, wenn Du Michaels elegante Extraktionsmethode anwendest. Ich habe besonders gute Erfahrungen mit Orthotrichum-Büscheln auf Betonmauern gemacht.

Solltest Du wider Erwarten Probleme habe, schicke ich Dir gerne etwas Material von besonders ergiebigen Standorten.

Viele Grüße

Ole

[Reinhard]

Hallo Michael, hallo Ole,

danke für die Tipps!
Ich versuch's mal ebenerdig.
Etwas MgCl2 würde ich Dir, Michael, schon abkaufen, dann braucht Klaus (H) seine 5L-Dreihalskolben zur Produktion nicht raus zu holen. 

viele Grüße
Reinhard

[Michael]

Hallo in die Runde,
nur noch eine kurze Anmerkung zur Häufigkeit von Tardigraden in Moospolstern:
Ich habe gerade ca. 2-3 cm³ Moos mit 20%-MgCl₂-Lösung behandelt. Die Tiere überleben diese Konzentration nicht, ich war auf der Suche nach was andrem und war bass erstaunt wieviele Tardigraden extrahiert wurden. Ich habe 235 Stück aus der Probe gefischt und schätze, dass noch etwa die gleiche Menge in der Uhrglas-Schale liegen.
Selten sind Tardigraden als wirklich nicht.

Grüße

Michael

[Klaus Herrmann]

Etwas MgCl2 würde ich Dir, Michael, schon abkaufen, dann braucht Klaus (H) seine 5L-Dreihalskolben zur Produktion nicht raus zu holen.  Lächelnd Lächelnd Lächelnd

Nicht nötig lieber Reinhard es steht bei mir im Labor in Merck-Flasche, sogar analysenrein, damit die armen Tiere nicht vergiftet werden!