Lernen bei Einzellern

Lernen ist unbestritten eine der wichtigsten Innovationen der Evolution. Nur damit können vergangene Erfahrungen in optimale Entscheidungen in der veränderlichen Umgebung einbezogen werden. Jüngere Forschungen zeigen, dass die Grundprinzipien von Lernvorgängen in der Evolution viel früher entwickelt wurden als bisher angenommen. Bislang beschränkte man Lernen meist auf Organismen mit einem Nervensystem, aber Forschungen an Schleimpilzen zeigen, dass es bestimmte Formen des Lernens bereits bei Einzellern gibt. In diesem Projekt kooperieren eine Verhaltensforscherin, ein molekularer Ökologie, sowie zwei Physiker, um die frühen Fromen des Lernens genauer zu beobachten und den Prinzipien dahinter auf den Grund zu gehen. Schleimpilze werden bestimmten Reizen ausgesetzt und ihre Antworten dahingehend untersucht, um die Spanne der Erinnerung bzw. assoziatives Lernen festzustellen. Weiters werden die möglichens Mechanismen des Lernens durch Modellierungen und auch die Rolle von DNA- Modifikationen untersucht. Letztlich wird studiert wie die Lernfähigkeit in verschiedenen Arten ihre Fitness mitbeeinflusst. Durch die Anwendung eines multidisziplinären Ansatz auf primitive Organismen werden wir ein holistisches Konzept des Lernens und von Kognition in diesem Projekt entwickeln.

Lernen als komplexes Phänomen wird in der Regel den neuronalen mehrzelligen Organismen zugeschrieben. Die Forschung hat gezeigt, dass Phänomene, die an Lernen erinnern und oft als Gewöhnung bezeichnet werden, auch in nicht-neuronalen Organismen vorhanden sind und sogar in einzelligen Organismen beobachtet werden. Das Projekt konzentrierte sich auf mögliche Mechanismen des einzelligen "Lernens" (Habituation) in Schleimpilzen. Wir betrachten die Habituation in Schleimpilzen als ein komplexes Phänomen, das nicht auf einem einzigen Mechanismus beruht, sondern durch das Zusammenspiel mehrerer Faktoren gekennzeichnet ist, die auf verschiedenen Ebenen wirken. Wir erkennen die Biomechanik als einen Hauptfaktor, der das Wachstumsverhalten von Schleimpilzen und die damit verbundenen Strömungsphänomene durch den netzwerkartigen Organismus beeinflusst. Die physikalischen Eigenschaften der Schleimausscheidungen für die Bildung von Venen und die Anordnung kontraktiler Elemente innerhalb der Venen betrachten wir dabei als sehr wichtig. Die Venendickenhierarchie und die innere Struktur der Venen kodieren vergangene Erfahrungen, was als Erinnerung interpretiert werden kann. Diese Art von Speicher ist dynamisch und kann sich aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Schleimschicht im Laufe der Zeit ändern. Wir argumentieren auch, dass die Flussmuster, die durch die Details der Netzwerkarchitektur etabliert werden, Rückkopplungen zu den transkriptomischen Profilen erzeugen, was die Unterschiede erklären könnte, die in der räumlichen Transkriptomik beobachtet wurden. Zusammenfassend haben wir festgestellt, dass das Phänomen der Gedächtnisbildung durch mechanische Mechanismen in diesem einzelligen Organismus ausgelöst wird.