Gemeinsame Pressemitteilung des Biotechnologischen Zentrums der TU Dresden und des Paul-Flechsig-Instituts für Gehirnforschung der Universität Leipzig vom 29.06.2012

Eine internationale Forschergruppe entschlüsselte den Augenaufbau des Elefantenrüsselfischs, 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 14 weiterer Institute hiermit eine in der Natur vorkommende 10-fache 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 (DOI: 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 als Zapfen sind, 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. Licht in diesem Wellenbereich kommt in der trüben Umgebung des Elefantenrüsselfisches nur wenig an.

„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 sich abgeschattet hinter diesen Spiegeln und können auch noch bei moderaten Lichtintensitäten zum Sehen beitragen, ohne zu übersättigen.  

Durch diese optimale Anordnung kann der Fisch - im Gegensatz zum Menschen -  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 Verhaltensforscher 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.“

Publikation:
Moritz Kreysing (1,2,x), Roland Pusch (3,x), Dorothee Haverkate (4,x), Meik Landsberger (3,x), Jacob Engelmann (3,5,x), Janina Ruiter (6), Carlos Mora-Ferrer (7), Elke Ulbricht (6,8), Jens Grosche (6), Kristian Franze (1,6,8), Stefan Streif (9), Sarah Schumacher (3), Felix Makarov (10), Johannes Kacza (11), Jochen Guck (1,12), Hartwig Wolburg (13), Jim Bowmaker (14), Gerhard von der Emde (3), Stefan Schuster (4), Hans-Joachim Wagner (15), Andreas Reichenbach (6,*) and Mike Francke (1,6,16): Photonic Crystal Light Collectors in Fish Retina Improve Vision in Turbid Water. Science, DOI: 10.1126/science.1218072

x these authors contributed equally
From the
1 Cavendish Laboratory, Department of Physics, University of Cambridge, Cambridge, UK.
2 Systems Biophysics, Department of Physics, Ludwig-Maximilians University, Munich, Germany.
3 Institute of Zoology, University of Bonn, Bonn, Germany.
4 University of Bayreuth, Department of Animal Physiology, Bayreuth, Germany.
5 Department of Biology, University of Bielefeld, Bielefeld, Germany.
6 Paul-Flechsig-Institute for Brain Research, University of Leipzig, Leipzig, Germany.
7 Institute of Zoology, Neurobiology, University Mainz, Mainz, Germany.
8 Department of Physiology, Development and Neuroscience, University of Cambridge. Cambridge, UK.
9 Institute for Automation Engineering, Systems Theory and Automatic Control Lab, University of Magdeburg, Germany.
10 Pavlov Institute of Physiology, St. Petersburg, Russia.
11 Institute of Anatomy, Histology and Embryology, Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig, Leipzig, Germany.
12 Technische Universität Dresden, Biotechnology Center, Dresden, Germany.
13 Institute of Pathology and Neuropathology, University of Tübingen, Tübingen, Germany.
14 Institute of Ophthalmology, London, UK.
15 Institute of Anatomy, University of Tübingen, Tübingen, Germany.
16 Translational Centre for Regenerative Medicine, University of Leipzig, Leipzig, Germany.
*Corresponding author: Andreas Reichenbach, Paul-Flechsig-Institute for Brain Research, University of Leipzig, Leipzig, Germany

Foto: Lichtbündelung in der Netzhaut des Elefantenrüsselfischs: Die lichtempfindlichen Zapfen befinden sich im Fokus eines Parabolspiegels.
(Foto: Moritz Kreysing, Cavendish Laboratory, Department of Physics, University of Cambridge, Cambridge, UK)

Informationen für Journalisten:
Birte Urban-Eicheler
Pressesprecherin Biotechnologisches Zentrum der TU Dresden (BIOTEC)
Tel.: 0351 458-82065
birte.urban@crt-dresden.de

Prof. Jochen Guck
Humboldtprofessur und Professur für Zellulare Maschinen am Biotechnologischen Zentrum der TUD
jochen.guck@biotec.tu-dresden.de

Prof. Andreas Reichenbach
Wissenschaftlicher Leiter des Paul-Flechsig-Instituts für Gehirnforschung an der Universität Leipzig
reia@medizin.uni-leipzig.de

Das BIOTEChnologische Zentrum (BIOTEC) wurde 2000 als zentrale wissenschaftliche Einrichtung der Technischen Universität Dresden mit dem Ziel gegründet, modernste Forschungsansätze in der Molekular- und Zellbiologie mit den in Dresden traditionell starken Ingenieurswissenschaften zu verbinden. Innerhalb der TU Dresden nimmt das BIOTEC eine zentrale Position in Forschung und Lehre mit dem Schwerpunkt „Molecular Bioengineering und Regenerative Medizin“ ein. Es trägt damit entscheidend zur Profilierung der TU Dresden im Bereich moderner Biotechnologie und Biomedizin bei. Die Forschungsschwerpunkte der internationalen Arbeitsgruppen  bilden die Genomik, die Proteomik, die Biophysik, zelluläre Maschinen, die Molekulargenetik, die Gewebezüchtung und die Bioinformatik.

Das Paul-Flechsig-Institut (PFI) ist ein Forschungsinstitut der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig im Bereich der Neurowissenschaften. Es besteht seit 1974 und geht auf die Gründung des "hirnanatomischen Laboratoriums" durch Paul Flechsig im Jahre 1883 zurück. Gegenwärtig ist das Institut ein tragender Baustein im profilbildenden Forschungsbereich „Gehirn, Kognition und Sprache“ (PfB 4) der Universität Leipzig und trägt damit entscheidend zur weiteren Entwicklung der neurowissenschaftlichen Kompetenz am Standort bei. Die Interdisziplinarität der Forschung spiegelt sich u.a. in der zentralen Rolle des Instituts im DFG-Graduiertenkolleg „Interdisziplinäre Ansätze in den zellulären Neurowissenschaften“ (GRK 1097) wieder. Die Forschungsschwerpunkte des Instituts beinhalten zelluläre und molekulare Aspekte neurodegenerativer Erkrankungen und glialer Reaktionen in Hirn und Netzhaut.