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Das Reich der Pilze - eine Einführung

Die Pilze sind, neben Tieren und Pflanzen, das dritte große Organismenreich unter den Eukaryonten. Die meisten Menschen halten sie für Pflanzen, weil sie typischerweise erdverbunden sind wie Pflanzen und sich nicht wie die Tiere fortbewegen und nach Nahrung suchen; in den Lebensmittelgeschäften findet man die essbaren Pilze wie Champignons und Shiitake in der Gemüseabteilung. Kein Pilz aber ist selbst zur Fotosynthese fähig, sein Energiestoffwechsel wird stets durch organische Moleküle von toten und manchmal auch lebenden Organismen angetrieben. Tatsächlich sind Pilze nach DNA-Vergleichen näher mit Tieren als mit Pflanzen verwandt. Danach hat sich die Entwicklungslinie, die zu uns (und allen anderen Tieren) führte, von derjenigen, die zu den Trüffeln (und allen anderen Pilzen) führte, später getrennt als die, die zu den grünen Pflanzen führte. Allerdings geschah dies, wie Abschätzungen der Mutationsraten (die „molekulare Uhr“) nahelegen, vor vielleicht 800 Millionen Jahren - tief im Präkambrium. Die frühesten Fossilfunde von Pilzen gibt es erst viel später, vor etwa 400 Millionen Jahren zusammen mit den Fossilien der ersten Landpflanzen.

Zwar gibt es Pilze auch im Meer und im Süßwasser, aber die meisten leben auf dem Land, wo sie buchstäblich allgegenwärtig sind und sich eine unüberschaubare Vielfalt von Nahrungsquellen erschlossen haben. Man schätzt ihre Artenzahl auf vielleicht 1,5 Mio., aber weniger als ein Zehntel davon sind bis heute wissenschaftlich beschrieben.

Ein nach außen gekehrtes Verdauungsorgan

Pilze zerlegen ihre Nahrung durch ausgeschiedene Enzyme außerhalb ihres Körpers und absorbieren die Nährstoffe in gelöster Form durch ihre Zellmembranen. Das entspricht der Art der Nahrungsaufnahme, wie wir sie in unserem Dünndarm durchführen. Entscheidend für eine wirksame Verdauung und Aufnahme der Nahrung ist eine möglichst große Absorptionsoberfläche. Im Darm wird das durch die Villi (Darmzotten) und den Bürstensaum der Mikrovilli der Epithelzellen erreicht. Ein gewöhnlicher Feldchampignon erzielt eine vergleichbare Absorptionsfläche durch ein kilometerlanges Netz von Fäden (Hyphen), mit denen er den Boden durchzieht. Die Gesamtheit des Hyphengeflechts eines Pilzes wird als Myzel bezeichnet. Was gemeinhin als Pilz wahrgenommen wird, ist nur ein kleiner Teil des Organismus, nämlich der Fruchtkörper, in dem die Sporen gebildet werden. Anders als Tiere und Pflanzen bilden Pilze keine Embryonen. Sie wachsen vielmehr aus einzelligen winzigen Sporen heran, die geschlechtlich oder ungeschlechtlich, oft in ungeheuren Mengen, gebildet werden können. Mit jedem Atemzug nehmen wir Pilzsporen auf, die durch die Luft verbreitet werden.

Waldpilze (Lactarius spec.) © privat

Im Bewusstsein der meisten Menschen spielen Pilze im Vergleich zu Pflanzen und Tieren nur eine untergeordnete Rolle. Tatsächlich spielen sie dank ihrer Fähigkeit, organische Reste in mineralische Ressourcen umzuwandeln, für die globalen Stoffkreisläufe eine entscheidende Rolle. Auch an Masse, vermutlich etwa ein Viertel der gesamten Biomasse unseres Planeten, übertreffen sie die Gesamtmasse aller Tiere bei Weitem. In einem Kiefernwald in Michigan, USA, beispielsweise wurde an den Baumwurzeln ein Hallimasch (Armillaria bulbosa) gefunden, dessen offensichtlich aus einer einzigen Spore hervorgegangenes Myzel sich über 37 Hektar ausbreitet und ein Gewicht von schätzungsweise 11 Tonnen hat. Dass es sich tatsächlich um einen einzelnen Organismus handelt, konnte durch genetische Analysen zahlreicher Proben an verschiedenen Entnahmestellen nachgewiesen werden.

Falsche und echte Pilze

Nicht alle Pilze bilden Myzelien. Manche, wie die Hefepilze, sind Einzeller, die sich im Ganzen oder durch Knospung und Abschnürung von Sporen teilen und als diffuse Masse wachsen. Der Übergang von der Ein- zur Vielzelligkeit (und wohl auch der umgekehrte Prozess) ist im Reich der Pilze mehrfach erfolgt.

Man hat früher viele unterschiedliche pilzartig wachsende und sich ernährende, chlorophyllfreie Organismen unter die Pilze eingeordnet. Inzwischen haben molekulare Marker und vor allem genetische Analysen zu einer Systematik geführt, die den natürlichen Verwandtschaftsverhältnissen besser gerecht werden dürfte. Kein Zweifel besteht, dass die so genannten Strahlenpilze (Actinomyceten), obwohl sie Myzelien aus Zellfäden und Actinosporen bilden, nichts mit den Pilzen zu tun haben. Es sind Prokaryonten (daher heute in Actinobacteria umbenannt). Ihr bekanntester Vertreter, Streptomyces, ist jedoch neben dem zu den echten Pilzen gehörigen Penicillium und Verwandten der wichtigste Produzent von Antibiotika. Was früher als Schleimpilze klassifiziert wurde (darunter Dictyostelium und Physarum, beliebte Modellorganismen für die Entstehung der Vielzelligkeit), ist ebenfalls von den Pilzen abgegrenzt und als eine heterogene Gruppe weiter aufgespalten worden.

Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae), ein einzelliger Ascomycet © DKFZ

Umstritten ist die Position der Oomyceten, zu denen wichtige Pflanzenschädlinge wie Phytophthora infestans, der die Kartoffelfäule hervorruft, oder Plasmopara viticola, der falsche Mehltau der Weinrebe gehören. Im Unterschied zu den echten Pilzen enthält ihre Zellwand Zellulose wie die grünen Pflanzen und sie bilden Sporen, die sich mit einer Geißel im Wasser fortbewegen können. Eine Zwischenstellung nehmen die wenig bekannten Chytridien ein, die begeißelte Fortpflanzungszellen (asexuelle Zoosporen und sexuell entstandene Gameten) bilden und neben Chitin manchmal auch noch Zellulose enthalten. Echte Pilze dagegen haben keine Zellulose, sondern als Hauptbestandteil ihrer Zellwand Chitin. Sie haben niemals begeißelte Stadien und ihre sexuelle Fortpflanzung erfolgt nicht durch die Verschmelzung von Einzelzellen (Gameten), sondern durch Konjugation unterschiedlicher Hyphen, die man in Ermangelung morphologischer Unterscheidungsmerkmale nicht als weiblich und männlich, sondern als plus und minus bezeichnet. Aus diesem Sexualakt gehen die Pilzfruchtkörper hervor, in denen durch Meiose Sporen gebildet werden.

Zu den echten Pilzen gehören die Zygomceten oder Jochpilze, darunter der Gemeine Brotschimmel (Rhizopus stolonifer). Auch die Wattefäule auf Erdbeeren wird durch diesen Pilz verursacht. Die riesige Gruppe der „Höheren Pilze" wird in zwei große Gruppen unterteilt, die sich vor allem durch ihre Fruchtkörper, in denen die Sporen gebildet werden, unterscheiden:

I.       die Ascomyceten oder Schlauchpilze. Zu ihnen gehören neben begehrten Speisepilzen wie Trüffel und Morchel zahlreiche weitere dem Menschen nützliche und schädliche Arten, darunter der Mutterkornpilz Claviceps (Alkaloide), die Schimmelpilze Aspergillus (Aflatoxine, Statine), Penicillium (Antibiotika) und Tolypocladium (Cyclosporin) sowie die Bier-, Wein- und Bäckerhefe Saccharomyces). Unter den Ascomyceten befinden sich viele Spezialisten, die auch die widerstandsfähigsten Substanzen des Tier- und Pflanzenreichs abbauen können, wie Cellulose und das Lignin des Holzes, das Keratin der Haare und Nägel und das Kollagen der Knochen und Bindegewebe. Von großer Bedeutung sind sie auch für die industrielle biotechnologische Produktion von Enzymen und organischen Verbindungen wie Zitronensäure oder Aminosäuren, nicht zu vergessen für die Reifung von Brie, Camembert, Gorgonzola oder Vendôme.

Mykorrhiza an Getreidepflanzen © Universität Gießen

II.       die Basidiomyceten, die Ständer- oder Hutpilze.  Zu ihnen gehören die meisten bekannten essbaren und giftigen Pilze,  auch die je nach Standpunkt begehrten oder gefürchteten halluzinogenen Pilze wie Psilocybe oder Amanita. Manche dienen als Quelle potenter Wirkstoffe für die Pharma- und Agroindustrie. Die im Pflanzenschutz eingesetzte Stoffklasse der Strobilurine wurde zuerst in kleinen auf Kiefernzapfen wachsenden Rüblingen entdeckt. Auch gefürchtete Pflanzenschädlinge wie Rost- und Brandpilze gehören zu den Basidiomyceten. Zahlreiche Arten bilden stabile Symbiosen mit den Wurzeln von Gehölzen (Mykorrhiza), ohne die eine ausreichende Nährstoffversorgung der Pflanzen aus dem Boden gar nicht möglich wäre.

Bei einer Besprechung der Pilze müssen die Flechten, Zwitterwesen aus Pilzen und Algen, mindestens erwähnt werden. Sie stellen die vielleicht höchst entwickelte Form einer Symbiose dar und sind als Erstbesiedler an den unwirtlichsten Orten der Erde ökologisch besonders wichtig.

Bei vielen Pilzen findet keine sexuelle Fortpflanzung statt (oder ist zumindest nicht beobachtet worden). Da man sie wegen fehlender Fruchtkörper nicht als Ascomyceten oder Basidiomyceten klassifizieren kann, werden sie als Deuteromyceten oder Fungi imperfecti (unvollkommene Pilze) zusammengefasst.

Medizinische Bedeutung von Pilzen

Unter den etwa 150 bekannten für den Menschen pathogenen Pilzen gehören viele zu diesen Fungi imperfecti, darunter die vor allem den Genitalbereich befallende Candida albicans und die als Dermatophyten zusammengefassten Verursacher der Haut-, Haar- und Nagelmykosen. Während diese humanpathogenen Pilze in der Regel eher als unangenehm statt als gefährlich anzusehen sind, können sie beim abwehrgeschwächten Individuum eine große Gefahr darstellen.

Aber nicht nur Pilzinfektionen, sondern schon tote Pilzzellen oder ihre Komponenten können als Fremdantigene Allergien auslösen und eine gesundheitliche Gefährdung darstellen. Pilzantigene sind für den Menschen die häufigsten Allergene überhaupt. Vergiftungen durch Pilze gibt es nicht nur in der akuten Form wie nach dem Verzehr von Knollenblätterpilzen. Man kennt etwa 2.500 Mykotoxin produzierende Pilze, also weit mehr als infektiöse Arten. Man kennt Mykotoxine mit organotoxischen, mutagenen und teratogenen Eigenschaften, und ihre Bedeutung etwa für die Entstehung einer Leberzirrhose ist noch wenig erforscht. Hier liegt noch ein weites Feld für die Wissenschaft.

EJ - 22.10.09
© BIOPRO Baden-Württemberg

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Eukaryonten sind Organismen, deren Zellen einen Zellkern und Organellen besitzen. Zu den Eukaryonten gehören Protozoen (Einzeller), Algen, Pilze, Pflanzen und Tiere (einschließlich Mensch).
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Die Konjugation ist ein natürlicher Vorgang, mit dem bestimmte Bakterien durch „Paarung“ (Aneinanderlagern von Spender- und Empfängerzelle) genetische Information (Plasmide) austauschen. Die hierfür benötigten Gene liegen in der Regel auf den Plasmiden.
  • Die Meiose ist die Reife- und Reduktionsteilung bei der Bildung von Keimzellen (Ei- und Samenzellen). Die Meiose besteht aus zwei Schritten: Zuerst wird die diploide Chromosomenzahl halbiert (in menschlichen Zellen von 46 auf 23). Die nachfolgende Teilung findet ähnlich wie die normale Zellteilung, die Mitose, statt. Letztlich entstehen durch die Meiose vier haploide Keimzellen.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Mit Mutagenese ist die Erzeugung von Mutationen gemeint, die u. a. durch UV-Licht oder andere Strahlung sowie zahlreiche Chemikalien ausgelöst werden.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Pathogenität ist die Fähigkeit, eine Krankheit zu verursachen. Man unterscheidet zwischen human-, tier- und pflanzenpathogenen Erregern, die eine Krankheit spezifisch bei Mensch, Tier oder Pflanze hervorrufen.
  • Prokaryonten sind einzellige Organismen, die weder Zellkern noch Organelle besitzen (z. B. Bakterien, Blaualgen).
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Candida albicans ist ein überall vorkommender Hefepilz, der unter bestimmten Bedingungen beim Menschen zu Erkrankungen führt. Eintrittspforten sind häufig Schleimhautverletzung im Mund, Magen-Darm-Trakt usw.
  • Symbiose im biologischen Kontext ist das Zusammenleben von zwei oder mehr verschiedenen Arten, das für alle vorteilhaft ist.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Die Morphologie ist die Lehre von der Struktur und Form der Organismen.
  • Lignin ist ein hochmolekularer, aromatischer Stoff aus verschiedenen monomeren Bausteinen, der sich in die Zellwand von Pflanzen einlagern kann und dadurch zur Verholzung führt.
  • Alkaloide sind stickstoffhaltige, heterocyclische chemische Verbindungen. Sie treten hauptsächlich in Pflanzen auf, sind meist giftig und einige schmecken bitter. Viele haben eine pharmakologische Wirkung wie z.B. Nikotin und Kokain.
  • Cellulose ist ein wasserunlösliches Polysaccharid, das den Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand bildet. Die Grundeinheit der Cellulose ist die Glucose.
  • Heterogenität bedeutet Ungleicheit bzw. Verschiedenheit in der Struktur.
  • Absorption steht in der Biologie für Aufnahme (im pharmakologischen Zusammenhang ist die Aufnahme eines Wirkstoffes gemeint; im physikalischen Zusammenhang ist die Aufnahme von Licht gemeint)
  • Unter Photosynthese wird die Erzeugung hochmolekularer energiereicher Verbindungen (Glukose) aus einfachen Molekülen (Kohlendioxid, Wasser) verstanden, wobei beträchtliche Mengen Sauerstoff entstehen. Chlorophyllhaltige Organismen (höhere Pflanzen, Algen, phototrophe Bakterien) nutzen dafür die Sonnenlichtenergie.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
  • Chitin ist ein Polysaccharid, das in Gliederfüßer, Pilzen, Ringelwürmern und Weichtieren vorkommt. Im Vergleich zur Cellulose trägt der Grundbaustein beta-Glucose eine N-Acetylgruppe.
  • Kollagene sind Strukturproteine im Gewebe von Wirbeltieren. Es ist wesentlicher Bestandteil des Bindegewebes bzw. der extrazellulären Matrix zwischen den Zellen. Ein Kollagenmolekül besteht aus jeweils drei Polypeptidketten, die sich helical umeinander winden. Hauptbestandteil dieser Polypeptidketten sind die Aminosäuren Glycin, Prolin und Hydroxyprolin. Kollagenfasern besitzen eine sehr hohe Zugfestigkeit und sind Komponenten von Knochen, Zähnen, Knorpel, Sehnen, Bänder und der Haut.
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