Arbeitsgruppen entschlüsseln Augenaufbau des Elefantenrüsselfischs

Pressemitteilung vom 29.06.2012
Eine internationale Forschergruppe hat den Augenaufbau des Elefantenrüsselfischs entschlüsselt, der im trüben Schwarzwasser zentral- und westafrikanischer Seen und Flüsse lebt. Zum ersten Mal konnten Wissenschaftler des Biotechnologischen Zentrums der TU Dresden, des Paul-Flechsig-Instituts für Gehirnforschung der Universität Leipzig und 10 weiterer Institute hiermit eine in der Natur vorkommende zehnfache Lichtverstärkung nachweisen. Hierzu befinden sich kleine Parabolspiegel in der Netzhaut des Fisches, die das schwache einfallende Licht fokussieren und verstärken, bevor es von den Lichtsinneszellen detektiert wird. Ihre Erkenntnisse über den Aufbau des Fischauges und die dadurch verbesserte Objekterkennung könnten für die Forschung im Bereich der Mikrochipentwicklung sowie der photonischen Kristallforschung eine Rolle spielen. Die Studie "Photonic Crystal Light Collectors in Fish Retina Improve Vision in Turbid Water" ist im amerikanischen Fachjournal Science veröffentlicht worden (10.1126/science.1218072).

Erforscht ist beim afrikanischen Elefantenrüsselfisch bereits sein elektrisches Ortungsorgan in der langen Unterlippe, dessen Aussehen er seinen Namen verdankt. Damit kann er im sehr trüben Wasser seines Lebensraums den Umkreis von 15 Zentimetern akkurat abtasten. Doch der Fisch muss dort auch sehr schnell weiter entfernte, große Objekte wie seine Fressfeinde erkennen. "Wir haben uns gefragt, wie das funktionieren kann, wie das Auge und die Netzhaut dieses Fischs aufgebaut sein müssen, um ihm eine angepasste Art des Sehens zu ermöglichen", berichtet der Biophysiker und Humboldt-Professor Jochen Guck vom Biotechnologischen Zentrum der TU Dresden. Moritz Kreysing aus Gucks Arbeitsgruppe in Cambridge untersuchte in seiner Doktorarbeit die optischen Konsequenzen der außergewöhnlichen Netzhaut-Spezialisierung und erläutert: "Der Elefantenrüsselfisch fischt im Trüben; seine natürliche Umgebung erreicht nur wenig Licht, und zwar hauptsächlich im roten Wellenlängenbereich. Dieses Licht muss die Netzhaut optimal ausnutzen können."

In der menschlichen Netzhaut dienen spezielle Lichtsinneszellen, die Stäbchen, dem Sehen bei geringer Helligkeit. In zentralen Bereichen der Retina findet sich ein weiterer Typ von Lichtsinneszellen (Zapfen), die die Farbwahrnehmung bei Tage ermöglichen. Zapfen sind allerdings nur bei ausreichender Beleuchtungsstärke aktiv, da sie nicht sehr lichtempfindlich sind. Stäbchen, die ein Vielfaches empfindlicher sind als Zapfen, ermöglichen Tieren vor allem nachts eine gute Sicht. Verfügt die Netzhaut noch über eine reflektorische Schicht wie bei einem Katzenauge, verdoppelt sich ihre Lichtausbeute. Allerdings sind Stäbchen auf den grünen Wellenlängenbereich spezialisiert, von dem in der Umgebung des Elefantenrüsselfisches nur wenig ankommt.

"Der Elefantenrüsselfisch ist evolutionär sehr gut an seinen trüben Lebensraum angepasst", sagt Prof. Andreas Reichenbach vom Paul-Flechsig-Institut der Universität Leipzig. "Das konnten wir im internationalen Verbund fachübergreifend und detailliert nachweisen." Die Retina des Fischs ist mit Parabolspiegeln ausgekleidet, in deren Brennpunkt sich die Zapfen befinden. Durch diese Spiegel wird das eindringende Licht gebündelt und so auf die wenig lichtempfindlichen Zapfen projiziert, um ihre Lichtausbeute in den Tiefen des trüben Wassers zu optimieren. Die weitaus empfindlicheren Stäbchen befinden abgeschattet hinter diesen Spiegel und können auch noch bei moderaten Lichtintensitäten zum Sehen beitragen, ohne zu übersättigen.

Durch diese optimale Anordnung kann der Fisch - im Gegensatz zu uns - fast immer Zapfen und Stäbchen gleichzeitig nutzen. Außerdem sind die Zapfen des Elefantenrüsselfisches innerhalb der Parabolspiegel reine Rot-Rezeptoren. Das ist eine optimale Anpassung an die Tatsache, dass in trübem Gewässer langwelliges, also rotes, Licht besser nach unten dringt als Licht anderer Wellenlängen.
Prof. Reichenbach fasziniert die maximale Ausnutzung der verschiedenen Lichtsinneszelltypen: "Wir konnten erstmalig nachweisen, dass es in einer Netzhaut Strukturen gibt, die einfallendes Licht um das 10-fache verstärken können." Tatsächlich konnten die Verhaltenforscher in den Partnerlabors auch direkt nachweisen, dass der Elefantenrüsselfisch unter den experimentell nachgeahmten Bedingungen seiner Umgebung (mit stark "verrauschten", schwachen Lichtreizen) auf große, bewegte Objekte zuverlässiger reagiert als beispielsweise der Goldfisch, dem die beschriebene Netzhautspezialisierung fehlt.

Die in der Studie gewonnenen Erkenntnisse könnten nicht nur für die biologische Sehforschung, sondern auch bei der Entwicklung von Sensoren in Mikrochips von Interesse sein, kann sich Prof. Guck vorstellen: "Anwendungen bei Detektionssystemen unter extremen Bedingungen könnten genauso von dem Wissen um den Aufbau dieses Fischauges profitieren wie die photonische Kristallforschung."