Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schlangensterne verwenden Kristalllinsen zur Erkennung herannahender Feinde

03.09.2001


Schlangensterne der Art Ophiocoma wendtii bilden kirstalline Linsen in ihrem Skelett, mit deren Hilfe sie herannahende Fressfeinde erkennen, das berichtet eine Studie in der Zeitschrift Nature vom 23. August. Dieses einzigartige ’Sehsystem’ ist das erste seiner Art, das bei heute auf der Erde lebenden Tieren beobachtet wurde. Die Entdeckung ist das Ergebnis einer gemeinsamen Studie von Wissenschaftlern am Weizmann Institut in Rehovot, Israel; von Bell Laboratories/Lucent Technologies in New Jersey und vom Natural History Museum of Los Angeles County in Los Angeles, Kalifornien.

Schlangensterne sind wirbellose Meerestiere mit gewöhnlich fünf dünnen, langen Armen, die von einem kleinen, scheibenförmigen Körper ausstrahlen. Sie gehören wie Seeigel, Seegurken, Seesterne und andere Meerestiere zum Stamm der Echinodermata (Stachelhäuter).

In den vergangenen Jahren führten Prof. Lia Addadi, Dekanin der Fakultät für Chemie des Weizmann Instituts, und Prof. Steve Weiner von der Abteilung Strukturelle Biologie des Instituts eine Reihe von Untersuchungen über die verschiedenen Möglichkeiten durch, wie Tiere ihr Skelett aufbauen. Die Wissenschaftler entdeckten, dass Tiere unterschiedliche Proteintypen produzieren, von denen einige die Bildung von Kristallen steuern. Die Idee für die gegenwärtige Studie entstand durch eine Begegnung der Weizmann-Forscher mit Dr. Gordon Hendler vom Museum für Naturgeschichte des Bezirks Los Angeles. Dr. Hendler machte sie auf eine bestimmte Art von Schlangensternen, Ophiocoma wendtii, aufmerksam; er wusste, dass Tiere dieser offensichtlich besonders lichtempfindlichen Art ihre Farbe verändern können. Obwohl diese Tiere keine als Organ ausgebildeten Augen haben, sind sie fähig, Schatten zu erkennen und vor Feinden rasch in dunkle Felsspalten zu fliehen. Händler vermutete, dass Felder von kugelförmigen Kristallstrukturen an der Oberfläche des äußeren Skeletts das Licht wie Linsen zum Nervensystem der Schlangensterne übertragen. Diese Hypothese wurde gestützt durch die Tatsache, dass die Schlangensterne in ihrem Skelett über ein relativ aufwendiges Nervennetz verfügen. Darüber hinaus scheint die Bewegung von pigmentierten Zellen zwischen den Kristallstrukturen und den Nerven die Reaktion der Schlangensterne auf Licht zu verändern.

Addadi und Weiner begannen gemeinsam mit ihrer damaligen Doktorandin Joanna Aizenberg, die heute bei Bell Laboratories arbeitet, mit der Erforschung dieses Phänomens. Sie fanden heraus, dass jedes einzelne Skelettelement mit seinen hunderten von Linsen aus einem Einkristall aus Kalzit besteht; die optische Achse des Kristalls ist ungefähr rechtwinklig zur Ebene des Linsenfeldes. Das bedeutet, dass das Kalzitlinsenfeld Licht übertragen kann, ohne es in verschiedene Richtungen zu streuen. Es stellt sich nun die Frage, ob der Brennpunkt der Linse in ihrer spezifischen geometrischen Form genau über dem Gebiet liegt, wo unter dem Skelett die Nerven des Schlangensterns verlaufen? Mit anderen Worten: Leiten und bündeln die Linsen Licht und übertragen die konzentrierten Strahlen ins Innere des Gewebes zum Nervensystem?

Diese Fragen blieben fast zehn Jahre unbeantwortet, bis die Forscher jüngst einen Weg fanden, sie experimentell auf kontrollierte Weise zu überprüfen. Das Experiment wurde bei Bell Laboratorien mit Hilfe von Lithografie, einer Halbleiter-Technik, durchgeführt. Dr. Aizenberg entfernte eine Kalzitkristallgruppe aus dem Skelettelement eines Schlangensterns der Art Ophiocoma wendtii, legte es auf eine Schicht photosensitiven Materials und strahlte Licht ein. Wie sie feststellte, erreicht das Licht das photosensitive Material an Stellen direkt unter den Kalzitkristallen. Durch Veränderung der Entfernung zwischen den Linsen und dem lichtempfindlichen Material fand sie heraus, dass die Brennweite jeder Linse - jene Entfernung, bei der die Linse das Licht etwa fugenzigfach konzentriert - genau mit der Tiefe übereinstimmt, in der die Nervenbündel, die vermutlich als Fotorezeptoren dienen, im Gewebe der Schlangensterne eingelagert sind.

Die Kristalllinsen und die pigmentierten Zellen im Skelett von Ophiocoma wendtii dienen somit als ’korrektive Brillen,’ die das Licht filtern und auf die Fotorezeptoren fokussieren. Diese Art ’Sehsystem’ wurde bisher bei keinem gegenwärtig auf der Erde vorkommenden Tier beschrieben, doch Prof. Weiner macht darauf aufmerksam, dass Kalzitkristalle auch in den Facettenaugen von Trilobiten vorkamen, also bei heute ausgestorbenen Meerestieren, die die Erde vor rund 350 Millionen Jahren bevölkerten.

In ihrem Bericht in Nature schreiben die Wissenschaftler abschließend: ’Die hier gezeigte Verwendung von Kalzit bei Schlangensternen, sowohl als optisches Element als auch als mechanische Stütze, veranschaulicht die beachtliche Fähigkeit von Lebewesen, durch den Prozess der Evolution ein Material für mehrere Funktionen zu optimieren, was wiederum neue Ideen für die Herstellung ’intelligenter’ Werkstoffe liefert.’

Prof. Stephen Weiner ist Inhaber des Dr.-Walter-und-Trude-Borchardt Lehrstuhls für Strukturelle Biologie. Seine Forschungsarbeit wird gefördert durch das Helen-und-Martin-Kimmel-Zentrum für archaeolgische Forschung, George Schwartzman aus Sarasota, Florida und die Angel-Faivovich-Stiftung für Umweltforschung.

Prof. Lia Addadi ist Inhaberin des Dorothy-und-Patrick-Gorman-Lehrstuhls. Ihre Forschungsarbeit wird unterstützt durch die Minerva-Stiftung Gesellschaft für die Forschung m.b.H.

Debbie Weiss | idw

Weitere Berichte zu: Kristalllinsen Linse Meerestier Ophiocoma Schlangensterne Skelett

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Verbesserte Kohlendioxid-Fixierung dank Mikrokompartiment
25.09.2017 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Regenbogenfarben enthüllen Werdegang von Zellen
25.09.2017 | Technische Universität Dresden

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: LaserTAB: Effizientere und präzisere Kontakte dank Roboter-Kollaboration

Auf der diesjährigen productronica in München stellt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT das Laser-Based Tape-Automated Bonding, kurz LaserTAB, vor: Die Aachener Experten zeigen, wie sich dank neuer Optik und Roboter-Unterstützung Batteriezellen und Leistungselektronik effizienter und präziser als bisher lasermikroschweißen lassen.

Auf eine geschickte Kombination von Roboter-Einsatz, Laserscanner mit selbstentwickelter neuer Optik und Prozessüberwachung setzt das Fraunhofer ILT aus Aachen.

Im Focus: LaserTAB: More efficient and precise contacts thanks to human-robot collaboration

At the productronica trade fair in Munich this November, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be presenting Laser-Based Tape-Automated Bonding, LaserTAB for short. The experts from Aachen will be demonstrating how new battery cells and power electronics can be micro-welded more efficiently and precisely than ever before thanks to new optics and robot support.

Fraunhofer ILT from Aachen relies on a clever combination of robotics and a laser scanner with new optics as well as process monitoring, which it has developed...

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Legionellen? Nein danke!

25.09.2017 | Veranstaltungen

Posterblitz und neue Planeten

25.09.2017 | Veranstaltungen

Hochschule Karlsruhe richtet internationale Konferenz mit Schwerpunkt Informatik aus

25.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Legionellen? Nein danke!

25.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Hochvolt-Lösungen für die nächste Fahrzeuggeneration!

25.09.2017 | Seminare Workshops

Seminar zum 3D-Drucken am Direct Manufacturing Center am

25.09.2017 | Seminare Workshops