Sharing is caring!

In diesem Abschnitt werden wir die Zellstruktur von Paramecium durchgehen. Wenn nicht anders erwähnt, beziehen wir uns auf Paramecium caudatum als typisches Beispiel für eine Paramecium-Zelle.
Wir haben auch 4 Serien von Blog-Beiträgen über Paramecium:
Teil I. Die biologische Klassifizierung von Paramecium – Name, Geschichte und Evolution
Teil II. Der Aufbau der Paramecium-Zelle
Teil III. Fortpflanzung, Physiologie und Verhalten von Paramecium
Teil IV. Der natürliche Lebensraum und die Kultivierung von Paramecium – Finde Paramecium für dein mikroskopisches Projekt

Die Anatomie von Paramecium

Das beschriftete Diagramm zeigt die Anatomie einer Paramecium Zelle.
Jede Struktur/Organelle und ihre Funktion wird in diesem Artikel erklärt.

Paramecium trägt einen weichen Panzer, genannt Pellikel

Der Körper der Paramecium-Zelle ist von einer steifen, aber elastischen Membran, genannt Pellikel, umgeben. Die Pellikel besteht aus einer dünnen, gallertartigen Substanz, die von der Zelle produziert wird. Die Pellikelschicht verleiht dem Paramecium eine bestimmte Form und einen guten Schutz seines Zellinhalts. Die Pellikel ist außerdem elastisch, so dass das Paramecium seine Form leicht verändern kann.

Die Haut des Parameciums ist von vielen winzigen Härchen bedeckt, die Cilien genannt werden

Die Pellikel ist von vielen winzigen Härchen bedeckt, die Cilien (Singular Cilium) genannt werden. Cilien sind über die gesamte Zelle verteilte Fortsätze. Eine Zelle von P. caudatum kann 5000-6000 Zilien haben.
Zilien sind sehr kleine Strukturen – etwa 0,25 μm im Durchmesser und bis zu 20 μm lang. Wir können nur die allgemeine Bewegung der Zilien auf den Zellen sehen, aber es ist schwer, sie unter einem normalen Lichtmikroskop klar zu erkennen.

Paramecium Zilienbewegung unter einem Mikroskop.

Es gibt zwei Arten von Zilien auf den Zellen von Paramecien: orale Zilien und Körperzilien. Die oralen Flimmerhärchen befinden sich auf der Oberfläche der Mundfurche. Sie helfen bei der Aufnahme von Nahrungsmitteln. Die Körperwimpern befinden sich auf der Körperoberfläche und erleichtern die Fortbewegung. Sie wirken wie mikroskopische Ruder, um den Organismus in eine Richtung zu bewegen.
Körperwimpern sind in Längsreihen (entlang der Kopf-Schwanz-Achse) angeordnet und haben in der gesamten Zelle eine ziemlich gleichmäßige Länge. Am hinteren Ende der Zelle befinden sich außerdem einige längere Cilien (bei P. caudatum recht deutlich). Diese bilden ein kaudales Flimmerbüschel (daher der Name caudatum).

Verschiedene Arten von Flimmerhärchen auf der Parameciumzelle – orale Flimmerhärchen, Körperflimmerhärchen und kaudales Büschel.

Die mikroskopische Ansicht der Flimmerhärchen

Wissenschaftler haben viel Zeit und Mühe darauf verwendet, die Flimmerhärchen des Parameciums zu untersuchen. Warum?
Es liegt daran, dass Zilien nicht nur in Mikroorganismen wie Paramecien oder Ciliaten vorkommen. Tatsächlich haben auch wir Zilien auf unseren Zellen. Zum Beispiel finden sich bewegliche Flimmerhärchen auf dem Epithel der Atemwege, wo sie unsere Lungen reinigen, indem sie Schleim und Schmutz herausfegen.
Fortgeschrittene Mikroskopie ist bei dieser Art von zellbiologischer Forschung sehr hilfreich. Mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) können wir zum Beispiel die Morphologie, Ausrichtung und Dichte der Flimmerhärchen von Paramecium sehen. Mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) können wir die Ultrastruktur der Zilien in einem Querschnitt betrachten. Mit Hilfe einer Immunfluoreszenzfärbung auf Antikörperbasis können die Wissenschaftler sogar sehen, welche Arten von Proteinen zur Struktur, Bewegung und zum Wachstum der Zilien beitragen.

Die Wissenschaftler verwendeten fortschrittliche Mikroskope, um ihre Fragen zu den Zilien von Paramecium zu beantworten. Links: Das REM zeigt uns die Morphologie der Zilien (Credit: Judith L. Van Houten). Mitte: TEM zeigt ein Querschnittsbild der Zilien im Detail (Credit: Richard Allen). Rechts: Das Fluoreszenzmikroskop zeigt uns, wie sich die Zilien an der Zelloberfläche verankern.

Die Struktur von Pellikel und Zilien

Mit Hilfe der fortgeschrittenen Mikroskopie wissen die Wissenschaftler nun im Detail, wie die Zilien wachsen und sich bewegen. Wie Sie in der Abbildung unten sehen können, ist die Pellikelschicht nicht glatt. Stattdessen gibt es viele Erhebungen (Alveolen genannt) mit einer Vertiefung in der Pellikel. Aus dem Mittelloch jeder Vertiefung tritt ein Cilium aus, das am Basalkörper verankert ist.

Die detaillierte Struktur von Cilien und Pellikel.

Wissenschaftler entdeckten auch, was sich im Inneren jedes Flimmerhärchens befindet. Ein Cilium besteht aus Mikrotubuli-Bündeln. Mikrotubuli sind Proteinfasern im Inneren der Zellen, die mehrere Funktionen haben. Mikrotubuli können als interzelluläre Autobahnen für den Transport von Molekülen und Organellen dienen. Während der Zellteilung ziehen Mikrotubuli-Fasern, die von zwei Zentrosomen ausgehen, die Chromosomen in neue Kerne auseinander.

Die Organisation des Ciliums.
Jedes Cilium enthält neun Paare von Mikrotubuli, die die Außenseite eines Rings bilden, und zwei zentrale Mikrotubuli. Diese Struktur wird als Axonem bezeichnet. Die Mikrotubuli werden durch vernetzende Proteine zusammengehalten. Es gibt Motorproteine, Dynein genannt, die sich über jede gepaarte Mikrotubuli-Faser bewegen.
Foto: LadyofHats auf wiki.

Die Motorproteine (Dynein) verwenden ATP als Energie, um entlang der Mikrotubuli zu kriechen. Wenn sich die Dynein-Proteine auf der einen Seite nach oben und auf der anderen Seite nach unten bewegen, krümmt sich das Cilium. Durch die Wiederholung der Biege- und Entspannungszyklen wirken die Flimmerhärchen wie Ruder, die hin und her schlagen, um Bewegung zu erzeugen.

Sehen Sie, wie die Flimmerhärchen die Welle machen

Wenn die Flimmerhärchen nur auf die gleiche Weise hin und her schwingen, können die Zellen nirgendwo hin. Die Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen müssen in verschiedenen Phasen erfolgen, um eine sinnvolle Antriebskraft zu erzeugen.
Wissenschaftler verwendeten ein Mikroskop mit einer Hochgeschwindigkeits-Videokamera, um festzuhalten, wie die Flimmerhärchen schlagen, um den gesamten Körper des Pantoffeltierchens anzutreiben. Sie sehen ziemlich schlau aus!

Die Bewegung der Flimmerhärchen zeigt eine schöne metachrone wellenartige Koordination, bei der eine konstante Phasendifferenz zwischen benachbarten Flimmerhärchen aufrechterhalten wird.

Bei der Analyse des Hochgeschwindigkeitsvideos, Bild für Bild, fanden die Wissenschaftler heraus, dass das Paramecium ähnlich schwimmt wie wir beim Kraulen.
Effektiver (Vorwärts-)Schlag: Während des effektiven Schlags streckt sich das Cilium gerade nach oben (um mehr Wasser aufzunehmen) und schlägt gegen das Wasser, wodurch der Körper nach vorne gebracht und das Wasser nach hinten geschickt wird.
Erholungsschlag (Rückwärtsschlag): Beim Erholungsschlag kehrt das Cilium durch seine Rückwärtsbewegung in die ursprüngliche Position zurück. Das Cilium neigt dazu, sich zu biegen und näher an der Zelloberfläche zu bleiben, um den Widerstand zu minimieren.

Schlagmuster der Cilien auf einem Paramecium.
Die Bewegung der Cilien kann in Effektivschlag (vorwärts) und Erholungsschlag (rückwärts) unterteilt werden. Die beiden Arten von Schlägen wiederholen sich abwechselnd, um den Körper des Parameciums voranzutreiben, während wir im vorderen Kraulstil schwimmen.

Im Gegensatz zu uns, die wir nur zwei Arme haben, hat eine Paramecium-Zelle Tausende von Flimmerhärchen. Um effizient schwimmen zu können, bewegen sich nicht alle Flimmerhärchen auf einmal. Die Zilien gruppieren sich in zwei Arten von koordinierten Rhythmen.
Synchroner Rhythmus – Die Zilien der Querreihe bewegen sich gleichzeitig.
Metachroner Rhythmus – Die Zilien der Längsreihe schlagen nacheinander. Dadurch entstehen metachrone Wellen, die vom vorderen zum hinteren Ende verlaufen.

Die Zilien bewegen sich im metachronen Rhythmus, um eine Antriebskraft zu erzeugen.

Ein weiteres interessantes Verhalten ist die Art und Weise, wie Paramecien entkommen. Wenn ein Paramecium auf ein Hindernis stößt, hört das Schlagen der Flimmerhärchen auf und kehrt sich um. Dies veranlasst das Paramecium, rückwärts zu schwimmen, um dem Hindernis oder den Fressfeinden zu entgehen.

Wie schnell kann sich ein Paramecium bewegen?

Sie fragen sich vielleicht, wie schnell sich das Paramecium bewegen kann? Sie bewegen sich schneller als olympische Goldmedaillengewinner!
Die meisten Wimperntierchen wie die Pantoffeltierchen sind unglaubliche Schwimmer. Warum Flimmerhärchen? Wenn man weniger als einen Millimeter groß ist, ist Wasser wie klebriger Sirup. Es wäre nicht sehr effizient, wie ein Fisch zu schwimmen! Wenn man schnell schwimmen und manövrieren will, sind Flimmerhärchen die beste Wahl.
Die Flimmerhärchen von Pantoffeltierchen bewegen sich wie viele winzige Ruder und treiben den Organismus mit einer Geschwindigkeit durch das Wasser, die „das Vierfache seiner Körperlänge pro Sekunde“ beträgt. Ein P. caudatum mit einer Länge von 300 Mikrometern (µm) kann mit einer Geschwindigkeit von 1200 µm pro Sekunde schwimmen (das entspricht 0,0027 Meilen pro Stunde). Wenn Michael Phelps (1,93 m) wie ein Pantoffeltierchen schwimmt, erreicht er eine Geschwindigkeit von 7,72 Metern pro Sekunde und schafft die 100-Meter-Strecke in 12,95 Sekunden. Das ist viermal schneller als der Weltrekord im Schwimmen!

Drei Arten der Fortbewegung für Protozoen.
Zilien – koordiniert schlagen, um zu schwimmen. Pseudopod – krabbeln auf der Oberfläche durch Veränderung der Zellform. Flagellum – schwimmen durch Rotation wie ein Propeller.
Foto: Lumen.

Wie ernährt sich ein Pantoffeltierchen?

Mundfurche

Paramecien fressen andere Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen oder Algen. Sie fressen durch ein System, das ähnlich wie unser Mund-Ösophagus-Magen funktioniert. Auf der ventro-lateralen Seite des Paramecien-Körpers befindet sich eine große, schräge, flache Vertiefung, die so genannte Mundfurche. Diese Mundfurche verleiht dem Tier ein asymmetrisches Aussehen.
Die Mundfurche dient als Eingang für das Nahrungsmaterial in die Zelle. Die Oberfläche der Mundfurche ist mit Flimmerhärchen bedeckt. Diese Flimmerhärchen schlagen, um eine Wasserströmung zu erzeugen und die Nahrung in die Mundrinne zu bringen.

Die nähere Ansicht des Fütterungssystems von Paramecium.
Man kann den roten Pfeilen folgen, um den Weg der Nahrung durch das Fütterungssystem des Parameciums zu verfolgen. Zunächst werden die Nahrungspartikel durch die Bewegung der oralen Flimmerhärchen in der Mundrinne gesammelt. Die Nahrungsbestandteile wandern vom Zytostom zum Zytopharynx und dann durch Phagozytose in die Nahrungsvakuolen. Verdauungsenzyme in den Nahrungsvakuolen zerlegen die Nahrung in kleine Nährstoffmoleküle. Nachdem die Nährstoffe von der Zelle in das Zytoplasma aufgenommen wurden, werden die unverdaulichen Reste aus der Analpore ausgeschieden.

Zytostom, Zytopharynx und Nahrungsvakuole

Das Ende der oralen Furche schließt an eine trichterförmige Struktur an, die Zytostom oder Zellmund genannt wird. Orale Flimmerhärchen bedecken auch das Lumen des Cytostoms, um die Nahrungspartikel auf den Boden des Cytostom-Trichters zu bringen, der sich in den Cytopharynx erstreckt.
Der Cytopharynx ist eine röhrenförmige Struktur (wie unsere Speiseröhre), die zu den Nahrungsvakuolen führt. Die Nahrungsvakuolen bilden sich durch Knospung am hinteren Ende des Cytopharynx. Die Nahrungsvakuolen funktionieren wie unser Magen und enthalten Verdauungsenzyme, um die Nahrungsmittel in Nährstoffmoleküle aufzuspalten.
Der Prozess der Nahrungsaufnahme durch Verschlucken durch Nahrungsvakuolen, Phagozytose genannt, ist bei einzelligen Mikroorganismen wie Amöben üblich. Allerdings entwickeln nur die Mitglieder der Ciliaten- und Euglena-Familien das spezielle Cytostom-Cytopharynx-System.

Macht ein Pantoffeltierchen Kacke?

Analpore

Die Antwort ist Ja. Paramecien haben ihre eigene Art der Ausscheidung. Nachdem die Nährstoffe aus der verdauten Nahrung in das Zytoplasma aufgenommen wurden, befinden sich noch unverdauliche Reste in den Nahrungsvakuolen. Diese Abfälle werden über eine Struktur, die Analpore oder Cytoprokt genannt wird, ausgeschieden.
Viele einzellige Eukaryonten haben eine Analpore. Die Analpore eines Parameciums ist ein Bereich der Pellicula, der nicht von Graten und Zilien bedeckt ist. Die dünne Pellikel ermöglicht es, dass Vakuolen in die Zelloberfläche übergehen und entleert werden können.

Die spezialisierte „Haut“ des Paramecium-Zellkörpers

Ektoplasma und Endoplasma

Im Gegensatz zu den mehrzelligen Organismen, die eine Schicht spezieller Hautzellen als Schutzbarriere haben, entwickelt das einzellige Paramecium eine „Zellhaut“, um sich zu schützen.
Wie bereits erwähnt, ist die äußerste Schicht eine weiche Schale aus Pellikel und Zilien. An die Pellikel ist eine schmale periphere Schicht aus spezialisiertem, festem Zytoplasma, dem Ektoplasma, gebunden. Unter dem Ektoplasma liegt eine flüssigere Art von Zytoplasma: das Endoplasma. Dieser Bereich enthält den Großteil der Zellbestandteile und Organellen.

Eine nähere Betrachtung der Struktur der Paramecienhaut.
Auf diesem hochauflösenden Bild der Paramecium-Zelle sind zwei Schichten von Zytoplasma zu sehen: Ektoplasma und Endoplasma. Trichozysten sind Schutzorganellen, die in die Ektoplasmaschicht eingebettet sind. (Das Bild stammt aus der Arbeit von Michael Plewka)

Im Vergleich zum übrigen Zytoplasma (Endoplasma) bildet das Ektoplasma eine dünne, dichte und klare äußere Schicht, die Trichozysten und fibrilläre Strukturen enthält. Die Zilienwurzeln verankern sich ebenfalls in der Ektoplasmaschicht. Pellikel und Ektoplasma bilden zusammen die schützende Haut der Paramecien.

Trichozyste

Trichozyste (trick-o-sists) ist ein kleines spindelartiges Organell im Ektoplasma mit einer winzigen Pore an der Pellikeloberfläche. Trichozysten sind senkrecht zum Ektoplasma angeordnet. Die Trichozysten sind mit einer dichten, lichtbrechenden Flüssigkeit gefüllt, die gequollene Substanzen enthält. Wenn die Zellen mechanische, chemische oder elektrische Reize erhalten, entladen sich die Trichozysten und werden zu langen, dünnen, stechenden Stacheln. Nach ihrer Entladung werden aus Kinetosomen neue gebildet.
Die genaue Funktion der Trichozysten ist nicht ganz klar, obwohl eine gängige Theorie besagt, dass sie für die Verteidigung gegen Fressfeinde wichtig sind. Trichozysten können auch zur Zelladhäsion beitragen und den Paramecium-Zellkörper stützen.

Trichozysten von Paramecium.
Trichozysten sind spindelartige Organellen, die zum Schutz vor Fressfeinden stechende Fäden ausstoßen können. Links: Ein TEM-Bild, das eine in das Ektoplasma eingebettete Trichozyste zeigt. Wenn sie von außen stimuliert wird, verschluckt sich der Kern der Trichozyste und stößt den Stachel aus der Scheide heraus. (Bild: Bannister, J. Cell Sci. 11:899-929, 1972.) Rechts: Stark vergrößertes Phasenkontrastbild, das ein Paramecium zeigt, das seine stacheligen Trichocysten zum Schutz abfeuert. (Bild: Walter Dawn, Encyclopædia Britannica)

Was befindet sich im Inneren des Zellkörpers eines Pantoffeltierchens?

Zytoplasma und Organellen

Wie bei einer normalen eukaryotischen Zelle befindet sich innerhalb der Pellikelschicht des Parameciums eine gallertartige Substanz, die Zytoplasma genannt wird. Das Cytoplasma enthält das Cytosol und alle Organellen. Das Cytosol ist wie eine kondensierte Suppe im Inneren der Zelle. Es ist ein komplexes Gemisch aus allen möglichen Substanzen, die in Wasser gelöst sind. Man findet dort kleine Moleküle wie Ionen (Natrium, Kalium oder Kalzium), Aminosäuren, Nukleotide (die Grundeinheiten der DNA), Lipide, Zucker und große Makromoleküle wie Proteine und RNAs.
Ein Pantoffeltierchen hat alle üblichen Organellen eukaryontischer Zellen (Link zu Zellbiologie), darunter Mitochondrien (die Kraftwerke der Zelle), endoplasmatisches Retikulum und Ribosomen (wo die Proteinsynthese stattfindet), Golgi-Apparat (die Poststelle im Inneren der Zellen), Lysosomen (die Speicher für Verdauungsenzyme), Peroxisomen (das Chemielabor im Inneren der Zellen).
Im Gegensatz zu pflanzlichen Zellen hat das Paramecium keine Chloroplasten.
Im Gegensatz zu den normalen eukaryotischen Zellen hat das Paramecium zwei Kerne, einen großen und einen kleinen. Paramecium hat auch zwei Arten von Vakuolen: die kontraktile Vakuole und die Nahrungsvakuole, die es in menschlichen Zellen nicht gibt.

Paramecium wird von einer Doppelkern-CPU angetrieben – Macronucleus und Micronucleus

Das ungewöhnlichste Merkmal von Paramecium sind ihre Kerne. Sie haben zwei Arten von Kernen, die sich in Form, Inhalt und Funktion unterscheiden.

Makronukleus (MA) und Mikronukleus (MI) in einer P. putrinum Zelle. Weiße und schwarze Pfeilspitzen weisen auf symbiotische Bakterien im Zytoplasma hin.
Bildnachweis: MDPI

Mikronukleus

Die beiden Arten von Kernen sind Mikronukleus und Makronukleus. Der Mikronukleus ist diploid, das heißt, er enthält zwei Kopien jedes Paramecium-Chromosoms (der menschliche Kern ist ebenfalls diploid). Der Mikrokern enthält die gesamte DNA (das so genannte Genom), die im Organismus vorhanden ist. Diese DNA wird bei der Fortpflanzung von einer Generation an die nächste weitergegeben.

Makronukleus

Der Makronukleus hingegen enthält eine Teilmenge der DNA des Mikronukleus. Diese DNA-Fragmente werden vom Mikrokern zum Makronukleus kopiert, weil sie Gene tragen, die von der Paramecium-Zelle häufig benötigt werden. Die Gene im Makronukleus werden aktiv in mRNA transkribiert und dann in Proteine übersetzt. Der Makronukleus ist polyploid oder enthält mehrere Kopien jedes Chromosoms, manchmal bis zu 800 Kopien.

Die Funktion von Mikronukleus und Makronukleus

Mit anderen Worten, die Funktion des Mikronukleus ist es, die genetische Stabilität zu erhalten und sicherzustellen, dass die erwünschten Gene an die nächste Generation weitergegeben werden. Er wird auch Keimbahn oder generativer Kern genannt. Der Makronukleus spielt eine Rolle bei nicht-reproduktiven Zellfunktionen, einschließlich der Expression von Genen, die für die alltägliche Funktion der Zelle benötigt werden. Der Makronukleus wird auch als vegetativer Kern bezeichnet.
Wenn wir einen Computer als Metapher verwenden, ist der Mikronukleus die Festplatte, auf der eine vollständige Kopie des Zellprogramms gespeichert ist. Der Makronukleus fungiert als Arbeitsspeicher (RAM), der Arbeitsdaten und Maschinencodes speichert. Der Computer lädt nur Programme, die gerade in Gebrauch sind, von der Festplatte in den RAM-Speicher. In einer Paramecium-Zelle können aktivere Gene (d.h. die Zelle braucht mehr von diesen Proteinen, die von diesen Genen kodiert werden) mehr Kopien im Makronukleus haben.
Ein weiterer Grund für die zwei verschiedenen Kerne ist, dass dies ein Mechanismus ist, mit dem Paramecien und andere Wimpertierchen genetische Eindringlinge abwehren können (d.h. DNA-Stücke, die sich in das Genom einschleusen, z.B. die DNA von Viren).
Wenn sich ein Stück DNA im Mikrokern, aber nicht im Makrokern befindet, wird es bei der nächsten Zellteilung entfernt, da es zwei Kerne hat. Mit anderen Worten: Wenn etwas Fremdes in das mikrokernige Genom gelangt, wird es bei der Bildung des nächsten Makronukleus entfernt und nicht in die exprimierte Version des Genoms aufgenommen. Dieser Mechanismus funktioniert wie ein primitives DNA-Immunsystem, d.h. er überwacht das Genom und versucht, eindringende Elemente fernzuhalten.
Morphologisch ist der Makronukleus nierenförmig oder ellipsoidisch. Der Mikronukleus befindet sich in der Nähe des Makronukleus. Er ist eine kleine und kompakte Struktur mit kugelförmiger Gestalt. Alle Paramecium-Arten haben einen Makronukleus. Die Anzahl der Mikronuklei kann jedoch je nach Art variieren. Zum Beispiel hat P. aurelia zwei Mikronuklei und P. multimicronucleatum mehrere.

Zwei Arten von Vakuolen, die für Paramecium lebenswichtig sind

Der Name „Vakuole“ beschreibt diese Organellen, die durchsichtig erscheinen und meist mit Flüssigkeit gefüllt sind. Vakuolen übernehmen in einer Parameciumzelle spezifische Funktionen. Paramecium hat zwei Arten von Vakuolen: kontraktile Vakuolen und Nahrungsvakuolen.

Kontraktile Vakuolen dienen als Wasserpumpen zur Osmoregulation

Eine Parameciumzelle hat zwei sternförmige kontraktile Vakuolen, die an jedem Ende des Körpers sitzen. Sie sind mit Flüssigkeit gefüllt und befinden sich an festen Positionen zwischen dem Endoplasma und dem Ektoplasma. Die kontraktilen Vakuolen sind für die Osmoregulation, d.h. die Ausscheidung von überschüssigem Wasser aus der Zelle, verantwortlich.
Die Bewältigung der Osmose ist eine universelle Herausforderung für alle Lebewesen. Besonders kritisch ist sie für einzellige Mikroorganismen wie Paramecium.
Wie wir wissen, ist jede Zelle von einer Zellmembran umgeben. Diese Membran hat winzige Löcher, die kleine Moleküle (wie Wasser) durchlassen, aber keine großen (wie Salz). Aus diesem Grund ist die Zellmembran teilweise durchlässig. Osmose ist die Bewegung von Wassermolekülen von einem Bereich mit hoher Wasserkonzentration (verdünnte Lösung) zu einem Bereich mit niedriger Wasserkonzentration (konzentrierte Lösung) durch eine teilweise durchlässige Membran.

Tierische Zellen (rote Blutkörperchen als Beispiel in dieser Grafik) sind empfindlich gegenüber Osmosedruck. Wenn sich unsere Zellen in einer „isotonischen“ Umgebung befinden (wie unser Blut), sind die ein- und ausströmenden Wassermoleküle gleich groß, und die Zellen sind sicher. Wenn die Umgebung „hypoton“ wird, d. h. weniger gelöste Stoffe (Mineralien) enthält als die isotonische Umgebung, strömt Wasser in die Zellen, um ein Gleichgewicht herzustellen. Die Zellen werden anschwellen und sogar platzen (lysieren), wenn überschüssiges Wasser nicht aus der Zelle entfernt wird. Hypertonisches Wasser hingegen ist auf mehr gelöste Stoffe in der Umgebung zurückzuführen und kann dazu führen, dass die Zellen schrumpfen.

Die kontraktilen Vakuolen regulieren die Wassermenge im Inneren einer Zelle. In Süßwasser, das für Paramecium eine hypotone Umgebung darstellt, fließt das Wasser durch Osmose in die Zelle. Die kontraktilen Vakuolen stoßen Wasser aus der Zelle aus, indem sie sich zusammenziehen, und verhindern, dass die Zelle zu viel Wasser aufnimmt oder sogar platzt.

Wie funktionieren die kontraktilen Vakuolen?

Jede kontraktile Vakuole ist mit mehreren Radialkanälen (die ihre Sternform bilden) verbunden. Überschüssiges Wasser wird aus dem gesamten Körper von Paramecium abgeleitet und über diese Kanäle in die kontraktilen Vakuolen geleitet. Durch die Ansammlung von Wasser vergrößert sich die Vakuole. Sobald das Reservoir einen bestimmten Schwellenwert erreicht, zieht sich die kontraktile Vakuole zusammen, um das überschüssige Wasser durch eine Pore in der Pellikel abzulassen.
Zwei kontraktile Vakuolen arbeiten unabhängig voneinander. Die hintere kontraktile Vakuole befindet sich in der Nähe des Cytopharynx und zieht sich daher schneller zusammen, da mehr Wasser hindurchfließt. Wenn die kontraktile Vakuole kollabiert, kann sie periodisch verschwinden und wird daher als temporäres Organ bezeichnet.

Das hochauflösende Bild von Paramecium zeigt zwei sternförmige kontraktile Vakuolen und einen Makronukleus. Dieses Bild wurde von Rogelio Moreno aus Panama City, Panama, mit Differentialinterferenzkontrast (DIC) bei 40-facher Vergrößerung aufgenommen. Dieses Bild erhielt den 4. Platz im Nikon-Fotowettbewerb 2013.

Nahrungsvakuolen

Wenn eine Paramecium-Zelle Nahrung durch die orale Furche aufnimmt und durch das Cytostom zum Boden des Cytopharynx gelangt, werden diese Nahrungsmaterialien in Nahrungsvakuolen eingekapselt. Die Nahrungsvakuolen verschmelzen dann mit den Lysosomen genannten Organellen, deren Enzyme die Nahrungsmoleküle aufspalten und die Verdauung durchführen.

Nahrungsvakuolen sind nicht kontraktil und haben eine etwa kugelförmige Gestalt. Sie dienen als isoliertes Kompartiment, damit die Enzyme nur die Nahrungspartikel, nicht aber andere Organellen abbauen können. Die Größe der Nahrungsvakuolen hängt von der Menge der Nahrung und dem Fortschritt der Verdauung ab. Unverdauliche Reste werden durch eine Öffnung am Pellikel, die Analpore oder Cytoprokt genannt wird, ausgestoßen.