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Was ist ein Volvox? Ein kurzer Überblick

Volvox ist eine Gattung von Grünalgen. Volvoxes sind frei schwebende einzellige Algen, bleiben aber typischerweise als kugelförmige Kolonien (oder Kugeln) von 500-50.000 Zellen zusammen. Sie können in einer Vielzahl von Süßwasserlebensräumen leben, einschließlich Teichen, Pools und Gräben. Unter dem Mikroskop sehen Volvoxes wie grüne Murmeln aus, die sich langsam drehen, was sie zu einem der entzückendsten mikroskopischen Organismen macht.

Eine reife Volvox carteri-Kolonie mit vielen Tochterkolonien unter dem Mikroskop.
Fotoquelle: http://www2.unb.ca/vip/photos.htm

Volvox aureus unter dem Mikroskop.

Klassifizierung von Volvox

Volvox ist eine polyphyletische Gattung von Chlorophyten-Grünalgen in der Familie Volvocaceae. Volvox wird aufgrund des Vorhandenseins von Chlorophyll in die Klasse Chlorophyceae eingestuft.
Scientific classification
Domain: Eukaryota
Kingdom: Plantae
Phylum: Chlorophyta
Class: Chlorophyceae
Order: Chlamydomonadales
Family: Volvocaceae
Genus: Volvox
(Reference: wiki)
There are 20 species of freshwater Volvox. Common species are Volvox aureus, Volvox globator, Volvox carteri, and Volvox barberi, etc.

Volvox carteri under ultraviolet light.
Photo source: Microbe wiki

Die Zellstruktur von Volvox

Eine typische Volvox-Kolonie besteht aus einer Hohlkugel von Zellen. Jede Kugel oder Coenobium besteht aus einer einzigen Schicht oberflächlicher Zellen, die miteinander verbunden sind. Jede Zelle ist von einer dicken Schleimwand umgeben, die eine gallertartige Schicht bildet, die die Hohlkugel zusammenhält. Bei einigen Volvox-Arten können diese schleimigen Wände den Innenraum der Kugel ausfüllen.
Diese oberflächlichen Zellen werden auch vegetative Zellen oder somatische Zellen genannt. Jede vegetative Zelle, die auf der Oberfläche der Kugel sitzt, trägt zwei Flagellen. Diese Flagellen zeigen auf die Seite des umgebenden Wassers und schlagen, um die gesamte Kolonie durch das Wasser zu treiben. Deshalb bewegt sich ein Volvox wie eine rollende Kugel.

Volvox ist eine Hohlkugel aus 500 – 50.000 Zellen, die als Kolonie oder Coenobium bezeichnet wird. Die Hohlkugel besteht aus einer Zellschicht. Jede Zelle hat ein Paar peitschenartige Flagellen. Die Flagellen schlagen synchron und lassen die Zellkolonie schwimmen.
Bild modifiziert von cronodon.

Eine Nahansicht von vegetativen Zellen auf der Oberfläche einer Volvox-Kolonie. Zwei Flagellen und ein roter Augenfleck sind sichtbar.
Fotoquelle: microscopy-uk.org.uk

Eine reife Volvox-Kolonie enthält neben flagellierten Körperzellen auch reproduktive Keimzellen. Die Anzahl der Keimzellen ist geringer als die der Körperzellen und befindet sich in der Mitte der Kugel.
Innerhalb der vegetativen Zelle befinden sich ein Zellkern, ein becherförmiger Chloroplast, mehrere kontraktile Vakuolen (wasserregulierend) und andere Zellorganellen. Jede vegetative Zelle hat einen roten Augenfleck (Stigma), der Licht wahrnehmen kann. Volvox ist wie andere Grünalgen photosynthetisch und schwimmt auf das Licht zu (Phototaxis genannt), um sich selbst zu beleuchten. Wenn das Licht zu stark ist, entfernen sich Volvoxes auch von sehr hellen Lichtern, die ihre Chloroplasten beschädigen können. Der Volvox-Ball hat ein bevorzugtes Front-End und Zellen in der Vorderseite der Kugel haben größere Augenflecken als der Rest. Diese Augenflecken steuern die Bewegung der Volvox-Kolonie. Die Fortpflanzungszellen sind auf der Ruheseite gruppiert.

Eine somatische Volvox-Zelle ist birnenförmig mit ausgeprägten vorderen und hinteren Polen.
Der vordere Pol besitzt einen lichtempfindlichen Augenfleck und zwei Flagellen, die es der Kolonie ermöglichen, sich dem Licht zu nähern. Die Basis der Flagellen trägt einzelne becherförmige Chloroplasten. Die Volvox-Zelle ist von einer Zellwand und einer Plasmamembran umgeben. Das zentrale Zytoplasma besitzt einen zentralen Kern, 2-3 kontraktile Vakuolen, mehrere Mitochondrien, endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat (manchmal Dictyosomen in Pflanzenzellen genannt), Ribosomen usw. Kontraktile Vakuolen wirken als Ausscheidungsorgane, um den Wasserstand der Zelle zu regulieren. Pyrenoid ist ein Proteinkörper in den Chloroplasten von Algen, die Stärke produzieren und speichern. Jede Zelle maß ungefähr 15-25 µm in der Länge.

Um die Bewegung der Flagellen zwischen den einzelnen Volvox-Zellen zu koordinieren, sind alle vegetativen Zellen auf der Oberfläche durch protoplasmatische Brücken mit ihren nächsten Nachbarn verbunden. Diese Brücken machen das Zytoplasma aller Zellen kontinuierlich, wodurch Wellen elektrischer Signale durch die Volvox-Kolonie wandern und die Flagellenbewegung koordiniert und kontrolliert auslösen können. Tatsächlich funktioniert der Zellübergang zwischen unseren Herzmuskelzellen auf die gleiche Weise, damit unser Herz als Ganzes schlägt!

Die einzelnen Volvox-Zellen sind durch dünne Zytoplasmastränge, sogenannte protoplasmatische Brücken, verbunden. Der Zellcluster in der Mitte ist eine Gruppe von reproduktiven Keimzellen.
Fotoquelle: microscopy-uk.org.uk

Wie lebt Volvox?

Alle Volvox-Arten sind in der Lage, ihre eigenen Nährstoffe durch Photosynthese herzustellen. Volvoxes sind grün, weil ihre Zellen Chloroplasten enthalten, die die grünen Pigmente halten, genannt Chlorophyll. Die Chlorophyllmoleküle absorbieren das Sonnenlicht und wandeln es in biologische Energie um. Gleichzeitig verbraucht die Photosynthese auch Kohlendioxid (CO2) und produziert Sauerstoff (O2). Aufgrund der pflanzenähnlichen Aktivitäten sind Volvoxes und alle anderen Grünalgen autotrophe Organismen.
Volvoxes sind ein wichtiger Bestandteil des aquatischen Ökosystems. Sie sind Teil der Nahrungskette, was sie zu einem wichtigen Bestandteil der Lebensmittel für viele Wasserorganismen wie Fische macht. Das Überwachsen von Volvox aureus könnte jedoch zu einer schädlichen Algenblüte führen. Eine Algenblüte tritt häufiger in warmen Gewässern mit hohem Stickstoffgehalt auf.

Algenblüte in Lake Binder, IA.
Photo credit:: Flickr

Wie groß kann ein Volvox werden?

Eine Volvox-Kugel oder Kolonie ist normalerweise ein Cluster von 500-50.000 Zellen. Diese Kolonien haben eine eiförmige oder kugelförmige Hohlform, die von 100-6000 µm reicht. Eine große Volvox-Kolonie könnte so groß sein wie ein Stecknadelkopf.

Eine reife Volvox-Kolonie hat einen Durchmesser von fast 2 mm (Sie können dies an der Maßstabsleiste des Bildes ablesen). Die Tochterkolonien in der Elternkolonie sind bereit zur Freilassung.

Wie vermehrt sich Volvox?

Volvox kann sich asexuell oder sexuell vermehren. Die Wahl zwischen asexueller und sexueller Fortpflanzung hängt von den Bedingungen ab, unter denen sie leben. Die asexuelle Fortpflanzung findet im Sommer unter günstigen Bedingungen statt, die eine schnelle Expansion der Volvox-Population ermöglichen. Die Farbe des Teiches kann aufgrund des schnellen Wachstums von Volvoxes grünlich werden. Im Gegenteil, die sexuelle Fortpflanzung erfolgt am Ende der Vegetationsperiode.

Volvoxes wachsen in warmen Jahreszeiten schnell.
Sie können Volvox-Kolonien unterschiedlicher Größe finden, die verschiedene Stadien des Lebenszyklus darstellen.
Fotoquelle: wiki

Asexuelle Fortpflanzung von Volvox

Volvox kann sich asexuell vermehren, indem es neue Tochterkolonien innerhalb der Elternkolonie bildet. Diese Tochterkolonien entstehen aus vergrößerten Zellen auf der Oberfläche der Elternkolonie, genannt Gonidia (Singular: Gonidium), am hinteren Ende der Kolonie.

Die Bildung von Gonidien an der Innenseite von Volvox.

Gonidien sind asexuelle Fortpflanzungszellen. Sie lassen ihre Flagellen fallen; werden abgerundet; enthalten dichtes Zytoplasma und liegen in einem Geleesack, der zum Inneren der Kolonie vorsteht. Jede Gonidiumzelle teilt sich wiederholt und produziert immer mehr Tochterzellen. Diese Zellen gruppieren sich und bilden eine becherförmige Zellplatte. Die Zellteilung setzt sich fort und schließlich bilden sie eine kleine kugelförmige Tochterkolonie, die an der elterlichen Innenfläche aufgehängt ist.

Der asexuelle Lebenszyklus von Volvox.

Die Tochterkolonien werden ursprünglich von innen nach außen gebildet, wobei die Flagellen nach innen zeigen. Sie müssen also einen Inversionsprozess durchlaufen. Nach der Inversion wachsen Tochterkolonien weiter, die wie viele Miniaturversionen des Elternteils sind.

Eine Tochterkolonie dreht sich von innen nach außen, so dass die Flagellen zur Außenseite der Zelle ausgerichtet werden.
Fotoquelle: microscopy-uk.org.uk

Wenn die elterliche Kolonie reißt und stirbt, entkommen diese Tochterkolonien. Sie wachsen durch Zellteilung weiter. Eine elterliche Kolonie kann 5-20 Töchter freilassen. Tochterkolonien können beim Schlüpfen kleine Enkelkolonien enthalten.

Geburt von Tochterkolonien nach dem Zerfall der elterlichen Kolonie. Sie können sehen, dass sich diese „Enkelin“ -Kolonien bereits entwickeln!
Fotoquelle: microscopy-uk.org.uk

Sexuelle Fortpflanzung von Volvox

Einige Volvox-Arten sind einhäusig (nur ein Geschlecht), während andere zweihäusig sind (mit zwei getrennten Geschlechtern). In zweihäusigen Formen produzieren weibliche Kolonien spezialisierte Eizellen und männliche Kolonien produzieren Pakete von Spermatozoiden, beide an der Rückseite der Kolonien. Eizellen fehlen Flagellen und bleiben durch die protoplasmatischen Brücken an benachbarte Zellen gebunden. Samenzellen haben keine Zellwände, aber zwei Flagellen. Reife Samenzellen lösen sich von der Elternkolonie und schwimmen in Richtung Eizellen. Wenn eine Samenzelle eine Eizelle befruchtet, bildet sich eine dickwandige Homozygote.

Hypnozygote kann für eine gewisse Zeit im Ruhe- oder Ruhestadium bleiben. Wenn ein Teich trocknet oder gefriert, können die Ruhephasen überleben, bis bessere Wachstumsbedingungen zurückkehren. Aus diesem Grund beginnt die sexuelle Fortpflanzung von Volvox normalerweise am Ende des Sommers.

Pakete von Samenzellen entwickeln sich in einer männlichen Volvox-Kolonie.
Fotoquelle: microscopy-uk.org.uk

Befruchtete Eizellen entwickeln sich zu Homozygoten mit einer harten Schutzschicht. Hypnozygoten sind in der Lage, rauen Bedingungen standzuhalten und werden im Winter überleben.
Fotoquelle: microscopy-uk.org.uk

Wer hat Volvox entdeckt?

Die niederländische Mikroskopistin Antonie van Leeuwenhoek berichtete erstmals 1700 über die Volvox-Kolonien. Leeuwenhoek entdeckte auch viele andere mikroskopische Organismen, wie Rotiferen und Paramecia, mit seinen einfachen Mikroskopen.

Links: Das einfache Mikroskop von Antony Van Leeuwenhoek verwendet, um die mikroskopischen Organismen zu entdecken. Rechts: Illustration von Volvox in Leeuwenhoeks Brief vom 2. Januar 1700.
Quelle: minst.org

Die Evolution von Volvox

Volvoxes entwickelte sich aus einzelligen Chlamydomonas-Vorfahren vor etwa 200 Millionen Jahren, während der Trias. Wissenschaftler waren fasziniert von der Entwicklung von Volvox-Kolonien. Sie glaubten, das Geheimnis, wie vielzellige Organismen herkamen, sei da. Tatsächlich fanden sie den Übergang von einzelligen Algen zu mehrzelligen Volvox-Kolonien innerhalb der Familie der Chlamydomonas.

Durch die Untersuchung des Stammbaums von Chlamydomonas können Wissenschaftler die Entwicklung von einzelligen Algen zu mehrzelligen Kolonien von Volvoxes identifizieren.
Fotoquelle: Wiki

Volvox ist ein wichtiger Modellorganismus

Ein Modellorganismus ist eine in der Wissenschaft weit verbreitete Art. Normalerweise ist ein Modellorganismus im Labor einfach zu pflegen und zu züchten und hat besondere experimentelle Vorteile. Escherichia coli (ein Bakterium), Hefe, C. elegans (ein Spulwurm), Fruchtfliege, Zebrafisch und Mäuse sind wichtige Modellorganismen.

Tatsächlich ist Volvox auch ein Modellorganismus, der Wissenschaftlern hilft, Embryogenese, Morphogenese und Zelldifferenzierung zu untersuchen. Zum Beispiel geschieht die Veränderung der Volvox-Zellform während der Inversion in einem Prozess analog zur tierischen Gastrulation (ein Embryo, der seinen Darm bildet).

Zusammenfassung

• Volvoxes wachsen als kugelförmige Kolonien. Jede Kolonie kann aus 500-50.000 Zellen bestehen.
• Volvox lebt bevorzugt in nährstoffreichen Gewässern wie Seen, Tümpeln, Kanälen, Gräben etc.
• Es gibt drei Arten von Volvox-Zellen: vegetative Zellen, asexuelle Fortpflanzungszellen und sexuelle Fortpflanzungszellen.
• Vegetative Zellen sind somatische Zellen, die die Hülle von Volvox Ball bilden. Jede vegetative Zelle hat zwei Flagellen und ist mit zytoplasmatischen Strängen aneinander gebunden.
• Volvoxes können sich sowohl asexuell als auch sexuell vermehren. Die Entscheidung hängt von den Umgebungsbedingungen ab.
• Durch asexuelle Fortpflanzung wachsen Fortpflanzungszellen innerhalb der Elternkolonie zu Tochterkolonien heran. Nach der Reifung kommt die Tochterkolonie aus der Elternkolonie heraus.
• Durch sexuelle Fortpflanzung werden weibliche und männliche Fortpflanzungszellen zu Ei- und Samenzellen. Befruchtete Zellen bilden Homozygoten, die im Winter oder in der Trockenzeit überleben können.

Ein interessantes Bild von Volvox und Gloeotrichia Kolonien im selben Feld. Gloeotrichia ist eine große koloniale Gattung von Cyanobakterien. Gloeotrichia wächst in einem filamentösen Körper von bis zu ~ 2 mm Größe.
Fotoquelle: wiki