Die einzellige Grünalge "Chlamydomonas reinhardtii"

Hier betrachten wir einmal eine sehr kleinen Pflanze, die Grünalge Chlamydomonas aus dem Süßwasser. Sie besteht nur aus einer einzigen Zelle, ist in etwa eiförmig und erreicht eine Länge von 3 bis 10 Mikrometern, das entspricht 0,01 Millimeter. Da sie als Einzeller vollständig auf sich alleine gestellt ist, muss diese eine Zelle mit allen Strukturen ausgestattet sein, die zum Überleben notwendig sind.

Aquarellzeichnung einer Chlamydomonas wie sie im Lichtmikroskop aussieht

Chlamydomonas besitzt einen einzelnen großen Chloroplasten, der ihr die grüne Farbe verleiht und sie zur Photosynthese als Energiegewinnung befähigt. Im Gegensatz zu vielen größeren pflanzlichen Verwandten ist sie zudem in der Lage, sich aktiv zu bewegen. Dafür verfügt sie an einem Ende über zwei gleich lange Geißeln, mit denen sie unter Energieaufwand schlagen kann. Um sich dabei gezielt orientieren zu können, besitzt die Alge zusätzlich einen sogenannten Augenfleck. Dieser ist durch lichtempfindliche Pigmente deutlich rot gefärbt und ermöglicht es der Zelle, sowohl die Richtung als auch die Intensität des einfallenden Lichts wahrzunehmen.

Durch das Zusammenspiel von Augenfleck und Geißeln kann sich Chlamydomonas gezielt in jene Wasserschichten bewegen, die eine optimale Beleuchtungsstärke für die Photosynthese bieten. Die beiden Geißeln schlagen dabei koordiniert abwechselnd, wodurch die Alge um die Längsachse dreht und eine gerichtete Vorwärtsbewegung entsteht. Wie für viele Einzeller typisch besitzt Chlamydomonas außerdem eine kontraktile Vakuole, die man bildlich als „Herz“ der Zelle bezeichnen könnte. Zwar sorgt sie nicht für eine Zirkulation, pumpt jedoch rythmisch überschüssiges Wasser aus der Zelle heraus und verhindert so ein Platzen. Das Wasser dringt aufgrund eines osmotischen Gefälles in die Zelle ein, da die Konzentration gelöster Stoffe im Zellinneren höher ist als im umgebenden Süßwasser. Ohne diesen aktiven Mechanismus würde sich das Ungleichgewicht ausgleichen. Viele in Meerwasser lebende Einzeller besitzen hingegen keine kontraktile Vakuole, da der Salzgehalt des Meerwassers hoch genug ist, um ein solches Gefälle zu vermeiden.

Drehbewegung einer Chlamydomonas Zelle

Typischerweise lebt Chlamydomonas in nährstoffreichen Gewässern. Interessanterweise kommen einige Arten der Gattung auch auf Schnee vor. Als Schutz vor der dort erhöhten UV-Strahlung produzieren diese Algen lichtabsorbierende Pigmente, die sie rötlich erscheinen lassen und das Phänomen des sogenannten „Blutschnees“ verursachen. Chlamydomonas reinhardtii ist ein besonders gut untersuchter Modellorganismus. Als leicht kultivierbare Stellvertreterart eignet sie sich hervorragend zur Erforschung grundlegender biologischer Mechanismen, die bei vielen Lebewesen ähnlich ablaufen. In diesem Zusammenhang sind insbesondere ihre Geißeln von Interesse, da sie im Aufbau den Geißeln menschlicher Spermien ähneln. Da das gesamte Genom von C. reinhardtii bekannt ist, eignet sich dieser Organismus zudem sehr gut für biotechnologische Anwendungen, wie etwa zur Herstellung verschiedener Stoffe in Bioreaktoren.