Fünfstrahlige Symmetrie: MareMundi erklärt das Geheimnis der Stachelhäuter

Die Lehrpläne der Schulen – selbst der Gymnasien als traditioneller Schmieden künftiger intellektueller Eliten – ändern sich im Laufe der Zeit in eine gewisse, beunruhigende Richtung, die älteren Biologen unverständlich erscheint. Sie fragen sich: Wer macht diese Lehrpläne und warum gestalten sie sich so? Kinder und Jugendliche lernen nämlich so gut wie nichts mehr über biologische Systematik und die Frage, welche Tierstämme auf unserem Planeten leben. Junge Menschen mit mittlerer Reife kommen auf die Universitäten um beispielsweise Biologie zu studieren – und haben nie erfahren, was Stachelhäuter (Echinodermata), Weichtiere (Mollusca), Gliederfüßer (Arthropoda) und all die anderen Tierstämme sind (von Artenkenntnis wollen wir gar nicht erst sprechen, siehe dazu mare-mundi erklärt, warum Artenkenntnis die Grundlage für jeden Naturschutz ist: Artenkenntnis ist das Große Einmaleins der Biologie). Private bzw. gemeinnützige Bildungseinrichtungen wie die Station von MareMundi auf Krk springen dort ein, wo der staatliche Bildungssektor versagt. Es ist unsere Erfahrung, dass die meisten Schüler während der Projektwochen auf Krk zum ersten Mal etwas von Tierstämmen lernen. Und genauso wenig wissen sie von den äußerst wichtigen Symmetrieverhältnissen in der Natur, ohne die kein Verständnis von Lebewesen möglich ist. In diesem Artikel stellt MareMundi ein außergewönliches und einzigartiges Beispiel vor: Die Stachelhäuter und ihre pentamere Symmetrie.

 

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Beispiel Nr. 1: Die bekanntest und uns allen geläufige Art der Symmetrie: Fische, abgebildet ist ein männlicher Meerjunker (Coris julis), sind – wie alle anderen Wirbeltiere und die allermeisten weiteren Tierstämme auch – bilateralsymmetrisch gebaut. Sie haben eine einzige Symmetrieachse, ein Vorne (rostral) und ein Hinten (caudal), ein Rechts und ein Links (lateral), ein Oben (dorsal) und ein Unten (ventral). Komplett anders ist der Körperbau der Stachelhäuter, um die es diesem Artikel geht.

 

Grundlagen der Symmetriekunde – auch so ein vom Bildungssystem vernachlässigtes Einmaleins der Biologie

Die meisten uns geläufigen Tiere haben zwei gleiche Hälften. Der Biologe würde es wissenschaftlicher ausdrücken: Sie sind bilateralsymmetrisch. In einfache Sprache übersetzt bedeutet es, daß man durch das Tier nur einen Schnitt führen kann – und zwar entlang der Längsachse -, wodurch zwei gleich ausgebildete, spiegelbildliche Hälften entstehen. Das uns am besten bekannte Wesen dieser Art sind wir selbst. Die Bilateralsymmetrie begrenzt sich meist nicht nur auf das Äußerliche, manche Organe und die innere Organisation allgemein folgen auch diesem Bauplan. Allerdings nicht alle Organe, wie wir es ebenfalls von uns selbst kennen – das Herz beispielsweise oder der Darmkanal und seine Derivate sind nur einfach ausgebildet.

Es ist daher ja nur logisch – würden die meisten Nichteingeweihten meinen -, dass jedes Tier ein Vorne hat und ein Hinten hat, ebenso ein Rechts und Links. Die Stachelhäuter demonstrieren uns, dass es jeder Regel gibt es jedoch bekanntlich auch Ausnahmen.

 

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Beispiel Nr. 2: Die typische Seesternform mit 5 gleich ausgebildeten Armen, abgebildet ist der rote Purpurseestern (Echinaster sepositus) aus dem Mittelmeer. Bei dieser Form kann man die Fünfstrahligkeit gut erkennen: Fünf mögliche Schnitte würden fünf mögliche gleichgeformte bzw. spiegelbildliche Hälften ergeben. Daneben eine Seesternart, die mindestens 7 Arme hat und damit bereits etwas verwirrender ist: Coscinasterias taenuispina.

 

Welche Arten der Symmetrie es unter den Tieren insgesamt gibt?

  1. Die einfachsten vielzelligen Tiere – die Schwämme – haben gar keine Symmetrien ausgebildet.
  2. Quallen, Anemonen und andere Nesseltiere (Cnidaria) sind Tiere mit einer deutlichen Radiärsymmetrie. Man kann beliebig viele Schnitte durch das Tier führen und jedesmal sind die dadurch entstandenen Hälften gleich. Die Radiärsymmetrie ist auch im Pflanzenreich weit verbreitet und unter anderem bei vielen Blüten zu beobachten.
  3. Nahezu alle Tierstämme “oberhalb” der Nesseltiere und Rippenquallen sind bilateralsymmetrisch gebaut. In der zoologischen Systematik und Taxonomie heißen sie daher Bilateria, Zweiseitenstiere. Bei ihnen ist der Kopf vorne und damit gibt es auch eine klare Fortbewegungsrichtung – nach vorne.
  4. Und dann bleibt nur noch die letzte Möglichkeit für Symmetrie bei Tieren, die einzigartige pentamere oder fünfstrahlige Symmetrie der Stachelhäuter, auch fünfstrahlige Radiärsymmetrie bezeichnet. Eine ihrer Besonderheiten ist, dass Ddieie Echinodermaten morphologisch betrachtet bilateralsymmetrisch geformte Larven besitzen und erst im späteren Lebensverlauf und infolge einer Metamorphose eine ausgeprägte fünfstrahlige Radiärsymmetrie entwickeln. Und manche Stachelhäuter drehen die Stammesgeschichte um und entwickeln sekundär wieder eine Bilateralsymmetrie mit einer Fortbewegungsrichtung, so die irregulären Seeigel und die Seegurken.

 

Die Pferdeaktinie (Actinia aequina) gehört zu den typischen Bewohnern des Felslitorals. Die Schüler lernen während der Exkursion, dass sie ziemlich genau die Mittelwasserlinie anzeigt, und man erkennt durch sie sofort, ob gerade Flut oder Ebbe ist.

Beispiel Nr. 3: Die Pferdeaktinie (Actinia aequina) gehört zu den typischen Bewohnern des Felslitorals – systematisch zu den Nesseltieren, die radiärsymmetrisch sind. Die Schüler lernen während der Exkursion, dass sie ziemlich genau die Mittelwasserlinie anzeigt, und man erkennt durch sie sofort, ob gerade Flut oder Ebbe ist. Viel seltener als die Bilateralsymmetrie ist im Tierreich diese Art  Radiärsymmetrie verbreitet. Wir finden sie vor allem bei einfacheren Organismen.

Pentamere Symmetrie – einzigartige Symmetrieverhältnisse im Tierreich

Im Meer leben Tiere wie die Stachelhäuter, bei denen die Symmetrieverhältnisse – zumindest auf den ersten Blick – nicht so leicht zu erkennen sind. Manche von ihnen schauen bilateralsymmetrisch aus, sind es aber nicht, andere wiederum sind kreisrund und könnten leicht für radiärsymmetrische Tiere gehalten werden. Bei vielen ist weder ein Vorne, noch ein Hinten zu erkennen. Sie können sich in jede Richtung bewegen, und Vorne und Hinten austauschen.

Ein größere Bedeutung für sie hat eher das Oben (aboral) und Unten (oral). Die Rede ist von den Stachelhäutern, einem rein marinen Tierstamm, zu dem die bekannten Seesterne, Seegurken und Seeigel und die etwas weniger bekannten Schlangensterne und Haarsterne gehören. Ihr Bauplan ist geheimnisvoll und über die Rätsel ihrer inneren Organisation sind schon zahlreiche Zoologiestudenten bei Prüfungen gestolpert. Ihr fünfstrahlig symmetrischer oder pentamerer Bauplan ist im Tierreich einmalig, scheinbar ohne irgendwelche Übergänge oder Verbindungsglieder zu anderen Tierstämmen. Die fünfstrahlige Symmetrie bedeutet, daß man durch das Tier fünf Schnitte führen kann, die jeweils zu zwei spiegelbildlichen Hälften führen. Am besten zu erkennen ist sie bei Seesternen mit fünf Armen. Sie sind sozusagen die heutigen Prototypen dieses Tierstammes, Mustertiere, an deren Beispiel man die pentamere Symmetrie einigermaßen überschauen kann. Man sollte sich nicht dadurch verwirren lassen, daß zahlreiche Seesternarten, und von denen gibt es immerhin an die 1600, im späteren Verlauf der Evolution sechs, sieben oder gar bis zu 50 Arme ausgebildet haben. Zugegeben, bei einem Seestern mit 50 Armen ist von der Fünfstrahligkeit rein äußerlich nicht mehr viel zu erkennen.

Die pentamere Symmetrie der Stachelhäuter beschränkt sich nicht nur auf das Äußere. Auch mehrere innere Organsysteme sind pentamer angelegt. So das sogenannte Ambulacralgefäßsystem, ein ausgeklügeltes System von flüssigkeitsgefüllten Kanälchen, mit deren Hilfe die unzähligen kleinen Füßchen auf hydraulischem Weg bewegt werden, oder auch die Keimdrüsen.

Die Kompliziertheit der inneren Organisation der Stachelhäuter ist schon verwirrend genug. Noch mehr ins Schwitzen kommt jedoch der Zoologiestudent erst bei dem Versuch, die Entwicklung der Fünfstrahligkeit zu begreifen. Wie die meisten seßhaften Meerestiere, pflanzen sich auch die Stachelhäuter durch freischwimmende Larven fort, die am Anfang bilateralsymmetrisch sind. Das befruchtet Ei teilt sich, aus zwei Zellen werden vier, dann acht, gefolgt von 16, 32, 64 und so weiter. Naturgemäß muß die Larve daher am Anfang zwei gleiche Hälften haben. Sie ist somit am Anfang ganz „normal“, und noch deutet nichts auf die künftige Entwicklung hin. In einem bestimmten Entwicklungsstadium der Larve jedoch bilden sich in einem Teil der Leibeshöhle fünf „Arme“ oder Ausstülpungen. Dann folgt eine verwickelte und nur schwer durchschaubare und verfolgbare Differenzierung, deren Beschreibung wir dem Leser ersparen wollen. Am Abschluß der Entwicklung steht als „Endprodukt“ ein fünfstrahlig gebautes Tier, dessen Bauplan im Tierreich keine Parallelen findet – weder vor den Stachelhäutern, noch nach ihnen.

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Echinopluteus-Larve eines Seeigels. Die pentamere Symmetrie ist bei den Larven noch nicht entwickelt und entsteht erst im Rahmen einer komplizierten Metamorphose. Foto: Marjan Richter, Ljubljana.

 

Nun kommen aber beim Anblick eines Seeigels erste Zweifel auf. Wo ist hier die Fünfstrahligkeit zu sehen? Das Tier ist ja eigentlich kreisrund und damit eher radiärsymmetrisch! Nun, der Schein trügt: Beim Zerlegen des Seeigels würde man sofort auf die fünfstrahligen Bauplan der inneren Organe stoßen. Die entscheidende Achse bei einem Seeigel ist das Oben und Unten. Die Mundöffnung mit einem raffiniertem Zahnapparat (der als Laterne des Aristoteles bezeichnet wird) befindet sich auf der „unteren“, dem Untergrund zugewandten Seite, diese wird auch als oraler Pol bezeichnet. Die Darmausmündung (After) befindet sich genau entgegengesetzt am obersten Punkt des Tieres, am aboralen Pol. Den Seeigel und seine Fünfstrahligkeit kann man sich am besten als einen Seestern vorstellen, dessen Arme nach oben gebogen und am oberen Pol verwachsen sind. Die kleinen Füßchen, die beim Seestern auf der unteren Seite zur Fortbewegung dienen, kommen so beim Seeigel auf die Oberfläche. Tatsächlich sind diese Füßchen beim genaueren Hinsehen zwischen den Stacheln erkennbar. Auch beim Betrachten einer Seeigelschale sind vom oberen Pol ausgehend fünf Linien von feinen Öffnungen erkennbar, die die Schale in fünf gleich große Abschnitte teilen.

Damit die Sache aber nicht zu einfach wird, bezieht sich das bisher gesagte nur auf sogenannte „reguläre“ Seeigel, das sind die bekannten, runden Seeigel der Felsenküsten, mit denen Badende häufig unliebsame Bekanntschaft machen. Ihre Verwandten, die „irregulären“ Seeigel leben meist im Sand vergraben – und sind dadurch dem zoologischen Laien nur wenig bekannt. Sie haben nun wieder ein „Vorne“ und ein „Hinten“ und ein „Rechts“ und „Links“ und sind somit bilateralsymmetrisch ausgebildet, so wie wir es von den meisten Tieren her kennen. Aber der Eindruck könnte täuschen. Die irregulären Seeigel haben nur sekundär, im Laufe der Entwicklung und als Anpassung an die Lebensweise im Substrat oberflächlich diese Form angenommen. Das „Vorne“ der irregulären Seeigel – mit der Mundöffnung – entspricht dem „Unten“ der regulären Seeigel. Die innere Organisation verrät jedoch durch ihre Fünfstrahligkeit auch bei den „Irregulären“ die Verwandtschaft zu den „normalen“ Seeigeln.

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Das Gehäuse eines irregulären Seeigels (Brissus unicolor), der äußerlich bilateralsymmetrisch ist. Dieser Bauplan ist allerdings nur sekundär und als Anpassung an die Lebensweise im Substrat zu verstehen. Ein genaueres Studium der Anatomie verrät den fünfstrahligen Bauplan der Stachelhäuter.

 

Ähnlich verhält es sich mit den Seegurken oder Holothurien, für die meisten Menschen nur wenig appetitlichen Tieren, die in Ostasien jedoch geräuchert als Delikatesse gelten: Auch bei ihnen ist die Fünfstrahligkeit oberflächlich nicht erkennbar, sekundär hat sich eine Bilateralsymmetrie entwickelt. Ihre Symmetrieverhältnisse sind mit denen der irregulären Seeigel vergleichbar. Auch sie haben eine vorgegeben Bewegungsrichtung und somit ein Vorne und Hinten.

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Die Weisspitzen-Seegurke (Holothuria polii) ist eine relativ seltene Art aus dem Mittelmeer. Seegurken zeigen – wie die Seeigel – einen Körperbau, der die fünstrahlige Symmetrie ihrer Organisation nicht mehr erkennen läßt. Es gibt bei ihnen ein „Vorne“ und ein „Hinten“ und damit auch eine vorgegebene Bewegungsrichtung.

 

Die Schlangensterne schließlich haben meistens 5 Arme und ähneln den Seesternen – nur sind ihre Arme dünn und sehr beweglich – und ihre Symmetrieverhältnisse bleiben somit überschaubar. Die ursprünglichste, mit einem Stiel ausgestattete Gruppe der Stachelhäuter, die Haarsterne oder Crinoiden, hatten ursprünglich 5 Arme, wie es bei zahlreichen fossilen Arten zu beobachten ist. Ihre Blütezeit erlebten sie bereits in früheren Epochen der Erdgeschichte, wo es Giganten mit einem 20 Meter langem Stiel gab. Die ersten Vertreter sind bereits aus dem Kambrium bekannt. Im Laufe der Evolution entstanden bei vielen Arten durch Verzweigungen mehrere Arme, deren Zahl bis zu 200 erreichte. Auch bei ihnen ist die Fünfstrahligkeit bei genauerem Hinsehen erkennbar.

 

 

Die fünf Untergruppen (Klassen) der Stachelhäuter

 

  • 1. Crinoidea (Seelilien, Haarsterne) zumindest als Jugendstadien sessil und gestielt, filtrierende Ernährung
    Alle übrigen Echinodermen sind zeitlebens freilebend
  • 2. Asteroida (Seesterne, räuberische Formen)
  • 3. Ophiuroida (Schlangensterne)
    4. Echinoida (Seeigel, weiden Algenbeläge ab)
  • 5. Holothuroida (Seegurken)

 

Verschiedene Fundstücke für die Untersuchungen der Schüler bei der mare-mundi Meeresbiologie-Exkursion auf Krk: Marmorkrabbe, Italienischer Taschenkrebs, Steinseeigel, Archenmuschel, Dreiflossenschleimfisch, Steindattel ...

Verschiedene Fundstücke für die Untersuchungen der Schüler bei der mare-mundi Meeresbiologie-Exkursion bzw. Projektwochen auf Krk: Marmorkrabbe, Italienischer Taschenkrebs, Steinseeigel, Archenmuschel, Dreiflossenschleimfisch, Steindattel … All diese Tiere sind entweder bilateralsymmetrisch oder fünfstrahlig-radiärsymmetrisch gebaut.

Auf den ersten Blick kompliziert – und dennoch entscheidend für ein besseres Verständnis der Natur

Eine Stunde im Leben – was ist das schon? Eine Stunde würde reichen, um Schülern die Grundlagen der Symmetrieverhältnisse im Tierreich zu erklären. Gemeinsam mit den Lehrern werden wir diese Stunde beim nächsten Besuch auf Krk bestimmt aufbringen.

Der etwas verwirrend anmutende Ausflug in das Studium der Symmetrieverhältnisse der Stachelhäuter dokumentiert gut, mit welchen Problemen Paläontologen und Biologen konfrontiert sind. Es ist alles andere als einfach, auf Fragen nach dem „Warum“ eine befriedigende Antwort zu geben. Warum sich die Stachelhäuter als einziger Tierstamm überhaupt durch eine Fünfstrahligkeit auszeichnen, welche evolutive Schritte zu diesem ungewöhnlichen Bauplan führten, darüber gibt es zwar jede Menge Disput zwischen den Fachleuten und zahlreiche Hypothesen, aber kaum gesichertes Wissen.

Es ist jedoch eine Frage des Blickpunkts: Man könnte es auch für gut erachten, daß es noch genügend Geheimnisse in der Geschichte unseres Planeten und seiner Bewohner gibt, auf die wir – möglicherweise – niemals eine entgültige Antwort finden werden …

Bericht: Dr. Robert Hofrichter, mare-mundi.eu.

Geben Sie Ihren Schülern und Kindern die Chance das Meer und die Natur näher kennen zu lernen – unter kompetenter Führung des MareMundi-Teams!

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