Das Acetabularia-Experiment: Hämmerlings Schirmalgen

Vertiefung zum ThemaZellkern

Wie beweist man, dass der Zellkern die Merkmale einer Zelle steuert – ohne DNA-Analyse, ohne Gentechnik? In den 1930er-Jahren genügten Joachim Hämmerling dafür eine Meeresalge, ein feines Messer und sehr viel Geduld. Seine Versuche mit der Schirmalge sind bis heute ein Klassiker in Klausuren, weil man an ihnen lernt, wie man aus Beobachtungen sauber Schlüsse zieht.

Einfach erklärt

Diese Seite vertieft das Thema Zellkern. Sie zeigt einen berühmten Versuch. In den 1930er-Jahren forscht Joachim Hämmerling mit der Schirmalge. Diese Alge ist nur eine einzige Zelle. Trotzdem wird sie bis zu 10 Zentimeter groß. Sie hat einen Fuß, einen langen Stiel und einen Hut. Der einzige Zellkern liegt im Fuß.

Zuerst zerschneidet Hämmerling die Alge. Nur der Fuß mit Kern bildet immer wieder einen neuen Hut. Ein Stück ohne Kern schafft höchstens einen Hut. Danach ist Schluss.

Dann setzt er Teile von zwei Arten zusammen. Das nennt man Pfropfen. Die beiden Arten haben verschiedene Hüte. Der erste neue Hut ist oft eine Mischform. Danach entscheidet nur noch der Kern über die Hutform. Der Grund: Im Stiel wirken anfangs noch Botenstoffe vom alten Kern. Heute weiß man: Das ist vor allem mRNA – eine Abschrift von Genen.

Merke: Die Hutform hängt auf Dauer allein vom Zellkern ab.

Die Schirmalge Acetabularia: eine Riesenzelle mit einem Kern

Acetabularia ist eine Grünalge aus warmen Küstengewässern. Ausgewachsen wird sie 4 bis 10 Zentimeter hoch – und besteht dabei aus einer einzigen Zelle. Man unterscheidet drei Abschnitte: den Fuß (Rhizoid), mit dem sie am Untergrund haftet, den langen, dünnen Stiel und den Hut an der Spitze. Der einzige Zellkern liegt die meiste Zeit des Lebens im Fuß. Erst wenn die Alge ausgewachsen ist, teilt er sich, und es entstehen Keimzellen.

Hämmerling arbeitete vor allem mit zwei Arten, die sich in der Hutform unterscheiden: Acetabularia mediterranea (heute meist A. acetabulum genannt) aus dem Mittelmeer hat einen glatten, schirmförmigen Hut; A. crenulata aus der Karibik einen Hut mit deutlich getrennten, zipfeligen Strahlen. Für die Forschung ist die Alge ideal: Die Zelle ist groß genug, um sie mit bloßem Auge zu zerschneiden, die Lage des Kerns ist bekannt, und die Teile wachsen nach einem Schnitt wieder zusammen oder bilden neue Strukturen.

Versuch 1: Zerschneiden – welcher Teil kann einen Hut bilden?

Zuerst prüfte Hämmerling, was die einzelnen Abschnitte allein leisten. Er zerschnitt junge Algen, die noch keinen fertigen Hut hatten, in Spitze, Mittelstück und Fuß:

Teilstück	Kern?	Ergebnis
Spitze des Stiels	nein	bildet einmal einen Hut, danach keinen mehr; stirbt nach einigen Wochen
Mittelstück	nein	bildet keinen Hut
Fuß	ja	bildet Stiel und Hut immer wieder neu und kann sich fortpflanzen
Mittelstück mit eingesetztem Kern	ja	gewinnt die Fähigkeit zurück, Hüte zu bilden

Zwei Schlüsse liegen nahe. Erstens: Für dauerhaftes Leben, Regeneration und Fortpflanzung ist der Kern unverzichtbar. Zweitens: Kernlose Stücke können eine Zeit lang noch etwas bilden – aber nur die Spitze. Hämmerling deutete das so: Der Kern gibt formbildende Stoffe ab, die im Stiel nach oben wandern und sich in der Spitze anreichern. Ein Stück mit genügend Vorrat kann einen Hut bilden; ist der Vorrat verbraucht, ist Schluss.

Versuch 2: Pfropfen zweier Arten

Ob der Kern die Hutform wirklich bestimmt, ließ sich mit zwei Arten prüfen. Hämmerling setzte ein kernloses Stielstück von A. mediterranea auf den Fuß mit Kern von A. crenulata. Die Teile wuchsen zusammen. Der erste Hut, der sich bildete, war oft eine Mischform mit Merkmalen beider Arten. Schnitt er diesen Hut ab, wuchs ein neuer, der eindeutig wie bei A. crenulata aussah – der Art, von der der Kern stammte. Auch jeder weitere Hut hatte diese Form.

Entscheidend für die Beweiskraft ist der umgekehrte Versuch: Ein Stiel von A. crenulata auf einem Fuß mit Kern von A. mediterranea bildete auf Dauer glatte mediterranea-Hüte. Das Ergebnis hängt also nicht davon ab, welche Art oben oder unten sitzt, sondern allein davon, woher der Kern kommt. 1943 gelang Hämmerling zudem, einen Kern von A. crenulata in eine Zelle von A. mediterranea zu verpflanzen: Die nachwachsenden Teile hatten crenulata-Merkmale. Enthält eine Zelle Kerne beider Arten, entstehen Hüte mit Merkmalen beider – beide Kerne wirken mit.

Deutung: vom „formbildenden Stoff“ zur mRNA

Was diese formbildenden Stoffe sind, konnte Hämmerling in den 1930er-Jahren nicht wissen. Dass DNA die Erbsubstanz ist, wurde erst 1944 und 1952 durch andere Experimente gezeigt. Heute lassen sich seine Befunde gut erklären: Im Kern werden Gene in mRNA umgeschrieben, die ins Zytoplasma wandert und dort in Proteine übersetzt wird. Wie diese Abschrift entsteht, erklärt die Seite zur Transkription. Bei Acetabularia bleiben diese mRNA-Moleküle offenbar lange stabil. Deshalb kann ein kernloses Stück noch einmal einen Hut bilden, und deshalb prägt die mRNA des alten Kerns den ersten Hut nach dem Pfropfen mit.

Hämmerling fand auch, dass der Einfluss in beide Richtungen geht. Setzte er einen alten Hut auf den Fuß einer jungen Alge derselben Art, teilte sich deren Kern ohne die übliche Verzögerung, und es bildeten sich Keimzellen. Das Zellplasma kann also die Aktivität des Kerns beeinflussen. Kern und Plasma arbeiten zusammen. Wie der Kern selbst gebaut ist und wie Stoffe zwischen Kern und Plasma wandern, zeigen die Hauptseite zum Zellkern und seiner Funktion und die Seite über die Kernporen.

Vertiefung Oberstufe: Was macht Hämmerlings Versuche überzeugend – und wo liegen ihre Grenzen?

Die Versuche folgen dem Weg der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung: Fragestellung (Welcher Teil der Zelle bestimmt die Merkmale?), Hypothese (der Kern), Experiment, Beobachtung, Deutung. Überzeugend sind sie vor allem wegen der Variation einer einzigen Größe: Beim Pfropfen ändert sich nur die Herkunft des Kerns, Stiel und Fuß sind ansonsten vergleichbar. Der umgekehrte Pfropfversuch dient als Kontrolle. Als zusätzliche Kontrolle eignen sich Pfropfungen innerhalb derselben Art: Sie zeigen, ob schon das Zusammenwachsen allein die Hutform verändert. Wichtig ist außerdem die Wiederholung an vielen Algen, denn einzelne Teilstücke sterben oder wachsen nicht an.

Die Grenzen sind ebenso lehrreich. Untersucht wurde nur ein Merkmal, die Hutform, und nur bei einer Gattung einzelliger Algen. Ob der Kern bei allen Lebewesen und für alle Merkmale dieselbe Rolle spielt, lässt sich daraus nicht ableiten – das zeigten erst spätere Experimente mit anderen Organismen. Zudem kann der Versuch den Kerninhalt nicht weiter aufschlüsseln: Er sagt nichts darüber, ob Proteine oder Nukleinsäuren die Information tragen. Und die Deutung „formbildende Stoffe“ war zunächst ein Modell, also eine begründete Vermutung über etwas, das man nicht direkt sah. Erst die Molekularbiologie konnte zeigen, dass es sich vor allem um langlebige mRNA handelt.

Fachbegriffe

Acetabularia (Schirmalge)

Einzellige Grünalge mit Fuß, Stiel und Hut; bis etwa 10 cm groß, ein einziger Kern im Fuß.

Rhizoid

Wurzelähnlicher Fuß der Schirmalge, in dem der Zellkern liegt.

Pfropfung

Verbinden von Teilen verschiedener Organismen, die anschließend zusammenwachsen.

Amputationsversuch

Versuch, bei dem Teile abgetrennt werden, um ihre Funktion und Regenerationsfähigkeit zu prüfen.

formbildende Stoffe

Hämmerlings Begriff für vom Kern abgegebene Botenstoffe; heute vor allem als mRNA gedeutet.

Kontrollversuch

Vergleichsversuch, der andere Erklärungen ausschließt, hier z. B. die umgekehrte Pfropfung.

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