Kinder-Uni Wie Fliegen das Licht anknipsen

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Wie sehen Insekten die Welt? Nachwuchsstudenten haben den Hohenheimer Biologen Armin Huber in seinem Labor besucht. Er hat mit seinem Team einen Schalter im Auge von Fliegen entdeckt, mit dem diese blitzschnell aufeinander folgende Bilder unterscheiden können.

Der Hohenheimer Biloge zeigt Kindern, wie die Augen von Fliegen aussehen – und erklärt, wie sie funktionieren. Foto: Lichtgut/Julian Reich 7 Bilder
Der Hohenheimer Biloge zeigt Kindern, wie die Augen von Fliegen aussehen – und erklärt, wie sie funktionieren. Foto: Lichtgut/Julian Reich

Stuttgart - Autofahrer kennen das: Man fährt durch einen dunklen Tunnel und am Ende hinaus in gleißendes Sonnenlicht. Man ist geblendet und sieht zunächst gar nichts, denn das Auge muss von dunkel auf hell umstellen. Das dauert einige Zeit. Eine Fliege hat dieses Problem nicht. Sie kann sich mit ihren Augen blitzschnell an die Helligkeit – oder auch Dunkelheit – anpassen und sehr schnell reagieren. Fliegen blicken wie alle Insekten mit sogenannten Facettenaugen in die Welt. Im Unterschied zum menschlichen Linsenauge besteht jedes Facettenauge aus Hunderten, manchmal sogar Tausenden von Einzelaugen. Damit können Bilder der Umwelt sehr viel schneller wahrgenommen werden. Im Kino wäre es Insekten vermutlich recht langweilig: „Einen Film würden ­Fliegen als Folge vieler einzelner Bilder ­sehen“, erklärt Armin Huber von der Uni Hohenheim.

Huber und seine Mitarbeiter am Institut für Biosensorik haben zusammen mit israelischen Wissenschaftlern bei Forschungsarbeiten mit Fruchtfliegen herausgefunden, dass es im Facettenauge an jeder Sehzelle einen Schalter gibt, der sich durch Licht an- und wieder ausschalten lässt. Steht der Schalter auf „An“, können die Fliegen Lichtreizen folgen, auch wenn sie sehr schnell hintereinander eintreffen. Steht der Lichtschalter auf „Aus“, brauchen sie beim Wechsel von hellem und dunkles Licht einige Zeit, um sich auf die veränderten Lichtverhältnisse einzustellen.

In der Zellmembran befinden sich Kanäle, die sich öffnen und schließen

Dieser Schalter liegt, so haben die Hohenheimer Forscher herausgefunden, in der Wand der Sehzellen im Facettenauge. Diese Wand wird biologisch auch als Membran bezeichnet. „In der Membran der Zellen befinden sich Kanäle, die sich öffnen und schließen“, erklärt Hubers Mitarbeiter Olaf Voolstra. Beim Öffnen des Kanals wandern elektrisch geladene Teilchen, sogenannte Ionen, ins Innere der Zelle. Fällt nun Licht ins Auge, öffnet sich der Kanal und Natrium- und Kalziumionen strömen nach innen. Dadurch wird ein elektrisches Signal erzeugt, das über die Nervenzellen Richtung Gehirn geleitet wird. Dort entsteht schließlich ein Bild. An diesem Kanal sitzt nun ein winziger Schalter. „Das Kalzium, das bei Licht einströmt, sorgt dafür, dass ein Enzym innerhalb der Zelle die chemische Zusammensetzung des sogenannten TRP-Kanals verändert. Dieses Enzym entfernt eine Phosphatgruppe, und sobald diese weg ist, kann die Fliege Bildreize schneller verarbeiten“, berichtet Voolstra. Dies bedeutet: Fliegt das Insekt durch das helle Licht, führt das Wegknipsen der Phosphatgruppe zu einer schnellen Verarbeitung der visuellen Reize.

Und es gibt noch eine weitere Variante des TRP-Kanals, TRPL, wobei L für Licht steht. Dieser Kanal könne als Ganzes komplett ins Innere der Sehzelle wandern, erklärt Thomas Smylla, ein weiterer Mitarbeiter am Institut: „Wenn die Fliege lange im Hellen saß, wandert der Kanal nach innen und wird zwischengelagert. Wenn es wieder dunkel wird, geht es auf den Rückweg.“ Während andere Zellprodukte im ­Innern der Zelle abgebaut und entsorgt werden, wird dieser Kanal verschont und gewissermaßen recycelt. Warum und wie ist allerdings noch unklar. Dies gilt es nun ­herauszufinden.

Solche Kanäle kommen beim Menschen nicht in den Sehzellen, aber in anderen Sinnessystemen vor

Die Hohenheimer Forschungsergebnisse gelten speziell für das Fliegenauge. Denn die Sehzellen im Auge des Menschen sind völlig anders aufgebaut. „In den menschlichen Sehzellen spielen TRP-Kanäle beim Sehen keine Rolle“, sagt Armin Huber. Doch sie kommen in anderen Arten von Nervenzellen, in anderen Sinnessystemen vor. „Essen wir eine sehr scharfe Peperoni, so wird es ab einer gewissen Schärfe sehr unangenehm und sogar schmerzhaft. An diesem Schmerz sind TRP-Kanäle beteiligt“, erklärt der Hohenheimer Biologe. Auch bei der Wahrnehmung von Hitze spielen sie eine Rolle. Deshalb wird in der englischen Sprache beispielsweise auch nicht zwischen scharf und heiß unter­schieden. Diese beiden Empfindungen werden mit einem Wort, dem Begriff „hot“, ausgedrückt.

Auch der lichtempfindliche Schlafrhythmus und damit die innere Uhr des Menschen scheint von diesen Kanälen beeinflusst zu werden. TRP-Kanäle findet man zwar nicht in den Sehzellen des menschlichen Auges, in anderen Zellen auf der Netzhaut (Retina) hingegen schon. Sogenannte retinale Ganglienzellen gehören eigentlich zu den Nervenzellen, die zwar elektrische Signale aufnehmen und weiterleiten können, aber nicht direkt auf Licht reagieren. Ein Prozent dieser Zellen jedoch hat sich als lichtempfindlich erwiesen. Wie ein Spinnenetz überziehen diese Zellen die Netzhaut. Und sie haben einen direkten Draht zu dem Zentrum im Gehirn, das den Schlaf- und Wachrhythmus steuert.

Zudem produzieren diese Zellen den Sehfarbstoff Melanopsin, dem sie ihre Lichtempfindlichkeit verdanken. Zellen mit diesem lichtempfindlichen Stoff reagieren ähnlich wie die Sehzellen bei Lichteinfall im Facettenauge. Daher liegt die Wahrscheinlichkeit nahe, dass es auch in diesem Spinnennetz der Melanopsin-produzierenden Ganglienzellen eine Art Lichtschalter gibt. Und dieser wird beispielsweise beeinflusst, wenn man abends vor dem Einschlafen noch kurz auf das Tablet oder Smartphone schaut: Durch das Licht aus diesen Geräten ist die schöne Schläfrigkeit wie weggeblasen, das Einschlafen wird schwierig. Daher raten Experten inzwischen zu einem Blaulichtfilter auf dem Smartphone oder Laptop, denn besonders auf die blauen Wellenlängen des Lichtes reagiert dieses System sensibel und hält uns wach.

Anmeldung zur Kinder-Uni

Vorlesung „Warum bin ich kitzelig?“ ist der Titel der Vorlesung der nächsten Kinder-Uni. Die Veranstaltung findet am Samstag, dem 7. Juli, um 11 Uhr im Hörsaal B1, Garbenstraße 30 , an der Universität Hohenheim statt. Der Biologe Armin Huber erklärt den Nachwuchsstudenten, warum sie kitzelig sind. Wobei dies bis heute wissenschaftlich noch gar nicht endgültig geklärt ist und es gibt viele verschiedene Theorien dazu. Diesen wird der Professor bei der Vorlesung auf den Grund gehen.