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Einfache Planktonorganismen mit Wirbeltier-ähnlichen Lichtsinneszellen

28.02.2011
Ein Team von Wissenschaftlern des Museums für Naturkunde Berlin, vom Kewalo Marine Laboratory der Universität Hawaii und vom SARS International Centre of Marine Molecular Biology der Universität Bergen/Norw., haben in den Augen von Larven der Brachiopoden, einer seit dem frühen Kambrium existierenden marin verbreiteten Wirbellosengruppe ciliäre Photorezeptoren entdeckt, deren Verwendung für gerichtetes Sehen bisher nur aus Wirbeltieren bis hin zum Menschen bekannt war. "Wir hatten eine ähnliche Morphologie der Augen wie bei den Larven der Ringelwürmer erwartet und waren überrascht, ciliären Rezeptoren als lichtaufnehmende Strukturen zu finden", so Carsten Lüter vom Museum für Naturkunde.

Die Ergebnisse, die in dieser Woche (1. März) online in der Open Access-Zeitschrift EvoDevo publiziert werden, zeigen, dass bereits sehr früh in der Evolution enstandene und für vergleichbare Funktionen eingesetzte Zelltypen innerhalb des Tierreichs wesentlich weiter verbreitet sind, als bisher angenommen wurde. Das Gen, welches die Information für das verwendete Sehpigment - ein spezielles ciliäres Opsin – codiert, ist zudem bereits in sehr frühen Entwicklungsstadien der Brachiopoden aktiv und ermöglicht phototaktisches Verhalten, obwohl diese frühen Stadien noch gar keine Augen besitzen.


Eine Brachiopodenlarve mit roten Augenflecken. Die darin befindlichen Photorezeptoren ähneln denen der Wirbeltiere (Foto: Nina Furchheim, MfN)

Mit Hilfe von elektronenmikroskopischen und Genexpressions-Daten konnte das Forscher-Team die Identität dieser Photorezeptoren mit denen von "Mäusen und Menschen" belegen. Die Ergebnisse legen nahe, dass der letzte gemeinsame Vorfahre von Brachiopoden und Wirbeltieren denselben Zelltyp für gerichtetes Sehen verwendet hat oder dieser Photorezeptortyp, einmal evolviert, mehrfach unabhängig innerhalb der bilateralsymmetrischen Tiere für gerichtetes Sehen Verwendung fand.

Brachiopoden sind als erwachsene Tiere mit einem Stiel am Untergrund festgewachsen und daher auf ihre Larven als Verbreitungsstadien angewiesen. Die Larven sind daher sehr mobil und schwimmen an die Wasseroberfläche, wo die Intensität des einfallenden Sonnenlichtes stärker ist. Die Forscher konnten zeigen, das sogar die frühesten Larvenstadien, die noch keine Augen besitzen, aktiv zum Licht hin schwimmen und wahrscheinlich das gleiche Sehpigment nutzen wie ihre Augen-tragenden älteren Geschwister. Andreas Hejnol vom SARS International Centre of Marine Molecular Biology meint dazu: "Diese frühen Entwicklungsstadien könnte man als "schwimmende Augen" bezeichnen, die in der Lage sind, die sonnige Wasseroberfläche zu finden."

Die elektronenoptischen Untersuchungen der Augenstruktur zeigen, dass die lichtaufnehmende Struktur in den Augen der Brachiopodenlarven ein spezialisiertes sogenanntes Cilium ist, ein Wimperhärchen, dass normalerweise durch gerichtetes Schlagen für den Vortrieb der Larven im Wasser sorgt, ähnlich wie das Schwänzchen eines Spermiums. Alle nach außen gerichteten Körperzellen der Brachiopoden tragen ein solches Cilium. In den Augen jedoch sind die Cilien der beteiligten Zellen in den Körper der Larve eingesenkt und ihre Oberfläche ist stark vergrößert, da in der Cilienmembran das Opsin als Sehpigment in großer Menge eingelagert ist.

Yale Passamaneck, Co-Autor vom Kewalo Marine Laboratory der Universität Hawaii, resümiert: "Unsere Ergebnisse liefern ein neues Modell für das Verständnis der Augenevolution innerhalb des Tierreichs und dafür wie einfache Zellen die Fähigkeit erwerben, auf Licht zu reagieren um schließlich in einem komplexen Organ wie dem Auge miteinander vernetzt zu werden."

Der Artikel erscheint unter dem Titel "Ciliary photoreceptors in the cerebral eyes of a protostome larva" am 1. März 2011 im online Open Access journal EvoDevo (http://www.evodevojournal.com/content)

Kontakt:
PD Dr. Carsten Lüter
Museum für Naturkunde,
Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung
an der Humboldt-Universität zu Berlin,
Invalidenstrasse 43
10115 Berlin
Tel. +49 (0)30 20938529
email: carsten.lueter@mfn-berlin.de

Dr. Gesine Steiner | idw
Weitere Informationen:
http://www.evodevojournal.com/content

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