Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Max-Planck-Forscher gewinnen Einblicke in die Evolution des Auges

04.06.2014

Die Larven des marinen Borstenwurms Platynereis dumerilii orientieren sich am Licht.

In ihren ersten Lebenstagen schwimmen sie ins Helle, um sich mit oberflächennahen Meeresströmungen zu verbreiten. Später wenden sie sich vom Licht ab und schwimmen zum Meeresgrund. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie haben jetzt herausgefunden, dass für diesen Orientierungswechsel zwei unterschiedliche Sehsysteme verantwortlich sind.


Borstenwurm Platynereis dumerilii

Nadine Randel / Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie


Grafisches Modell eines Platynereis dumerilii

Nadine Randel / Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Sie erstellten erstmals eine neuronale Karte, anhand der sich ein vollständiges visuelles System nachvollziehen lässt – vom Reizeingang bis zur Verhaltensreaktion. Damit können die Forscher der Evolution der Sehsysteme regelrecht ins Auge blicken.

Fototaxis, die lichtabhängige Bewegung, ist bei den Larven wirbelloser Meerestiere weit verbreitet. Viele wechseln dabei im Laufe ihrer Entwicklung die Orientierung: Aus der positiven, also zum Hellen gerichteten Fototaxis wird eine negative, vom Licht abgewandte Fototaxis. Wie die marinen Winzlinge dies bewerkstelligen ist noch nicht im Detail verstanden.

Doch zumindest für die Larven von Platyneris dumerilii kann Gáspár Jékely, Leiter der Forschungsgruppe „Neurobiologie des marinen Zooplanktons“, nun mit Sicherheit sagen: „Das Richtungsschwimmen ändert sich mit dem Augentyp. Wenn die Larven nach wenigen Tagen ihre ersten, sehr einfachen Augen nicht mehr nutzen, sondern auf eine weiter entwickelte Version zugreifen können, ändern sie auch ihr Verhalten. Statt ausschließlich zum Licht zu schwimmen, bewegen sie sich jetzt auch davon weg.“

In den ersten beiden Lebenstagen besitzt der Borstenwurm-Nachwuchs die einfachsten Augen der Welt: Auf beiden Seiten der Kopfregion sitzt jeweils eine einzelne Lichtsinneszelle, die von einer Pigmentzelle abgeschirmt wird.

Wie Jékely bereits 2008 gemeinsam mit seinen Kollegen vom European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg herausgefunden hat, ist diese Lichtsinneszelle direkt mit dem Antriebsmotor der Larven verbunden, einem Wimpernkranz, der wie ein Kragen unterhalb der Kopfregion sitzt. Fällt Licht auf die Sinneszellen, beginnen sich die Larven spiralförmig vorwärts zu schrauben – immer in Richtung des Reizes.

Diese primitiven Augenflecken haben jedoch bereits nach drei Tagen ausgedient und werden nicht mehr benutzt. Dafür entstehen weiter oben am Kopf zwei neue, fortschrittlichere Augenpaare – die Vorläufer der Sehorgane erwachsener Borstenwürmer. Sie besitzen mehrere Lichtsinneszellen, einen Pigmentbecher und sogar eine einfache Linse. Außerdem entwickelt sich ein einfaches neuronales Netzwerk, das den Lichtreiz verarbeitet und weiterleitet.

Die Wissenschaftler in Jékelys Team haben dieses Neuronengeflecht mit Hilfe des Elektronenmikroskops genauer unter die Lupe genommen. So konnten sie eine Karte des visuellen Netzwerks einer drei Tage alten Larve erstellen. Sie identifizierten 71 Neurone, die über mehr als 1000 Nervenzellverbindungen, so genannte Synapsen, miteinander verknüpft sind.

Dabei zeigte sich, dass das Lichtsignal zwar weiterhin an den Wimpernkranz weitergeleitet wird, jedoch kommt es zusätzlich auch an der Rumpfmuskulatur der Larve an. Außerdem sind die Augen der beiden Körperhälften miteinander vernetzt.

„Durch Verhaltensexperimente haben wir nachgewiesen, dass der Lichtreiz die Rumpfmuskulatur aktiviert und sich die Larven dadurch vom Licht abwenden“, sagt Nadine Randel, Erstautorin der Studie die im Fachmagazin “eLife” veröffentlicht wurde. Dazu beleuchteten die Forscher ein durchsichtiges Gefäß mit drei Tage alten Larven. In der Folge krümmten sich die Tiere, so dass sie um die Kurve schwammen – weg vom Licht. Blockierten die Forscher die Nervenbahnen zwischen Lichtsinneszellen und Muskeln biochemisch, schwammen die Larven normal weiter, jedoch völlig unbeeindruckt von der Lichtquelle.

Die Nervenzellverbindungen zwischen den Augen beider Körperhälften ermöglichen das räumliche Sehen. Außerdem haben die Max-Planck-Forscher Neurone identifiziert, die die jeweils gegenüberliegenden Sehorgane hemmen. „Das verstärkt den Kontrast zwischen hell und dunkel und verbessert so die Orientierung und das gezieltere Schwimmen vom Licht weg“, erklärt Randel.

Den Tübinger Entwicklungsbiologen ist es mit dieser Arbeit erstmals gelungen, ein einfaches visuelles Netzwerk vom Reizeingang bis zur Verhaltensreaktion vollständig zu beschreiben. Darüber hinaus haben sie auch einen tieferen Einblick in die Evolutionsgeschichte des Auges gewonnen. Das simple Sehsystem der frühen Borstenwurmlarven, bestehend aus gerade mal zwei Zellen, entspricht Charles Darwins Vorstellung vom Ur-Auge, dem Prototyp, aus dem alle heute existierenden Sehorgane entstanden sind.

Das doppelte Augenpaar der drei Tage alten Larven verkörpert bereits eine Weiterentwicklung dieses Prinzips. „Es ist als ob wir in einem einzigen Tier gleich mehrere Etappen der Augenevolution beobachten können“, sagt Jékely. „Wir gehen davon aus, dass frühe Lichtsinnesorgane immer der Fototaxis dienten – erst später entwickelten sich Augen, mit denen sich Objekte erkennen ließen.“ Vermutlich konnten die ersten einfachen Augen in der Evolutionsgeschichte lediglich zwischen hell und dunkel unterscheiden. Aber sie gaben den Anstoß für die Entwicklung komplizierter Sehsysteme, zum Beispiel des menschlichen Auges.

Original Publikation:
Nadine Randel, Albina Asadulina, Luis A. Bezares-Calderón, Csaba Verasztó. Elisabeth A. Williams, Markus Conzelmann, Réza Shahidi, Gáspár Jékely: Neuronal connectome of a sensory-motor circuit for visual navigation. eLife 2014;10.7554/eLife.02730

Weitere Informationen:

http://tuebingen.mpg.de/startseite/detail/blick-ins-auge-der-evolution.html

Nadja Winter | Max-Planck-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neue Einblicke in die Welt der Trypanosomen
16.08.2017 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

nachricht Geographie verrät das Alter von Viren
16.08.2017 | Universität Bern

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: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Im Focus: Wissenschaftler beleuchten den „anderen Hochtemperatur-Supraleiter“

Eine von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) geleitete Studie zeigt, dass Supraleitung und Ladungsdichtewellen in Verbindungen der wenig untersuchten Familie der Bismutate koexistieren können.

Diese Beobachtung eröffnet neue Perspektiven für ein vertieftes Verständnis des Phänomens der Hochtemperatur-Supraleitung, ein Thema, welches die Forschung der...

Im Focus: Tests der Quantenmechanik mit massiven Teilchen

Quantenmechanische Teilchen können sich wie Wellen verhalten und mehrere Wege gleichzeitig nehmen, um an ihr Ziel zu gelangen. Dieses Prinzip basiert auf Borns Regel, einem Grundpfeiler der Quantenmechanik; eine mögliche Abweichung hätte weitreichende Folgen und könnte ein Indikator für neue Phänomene in der Physik sein. WissenschafterInnen der Universität Wien und Tel Aviv haben nun diese Regel explizit mit Materiewellen überprüft, indem sie massive Teilchen an einer Kombination aus Einzel-, Doppel- und Dreifachspalten interferierten. Die Analyse bestätigt den Formalismus der etablierten Quantenmechanik und wurde im Journal "Science Advances" publiziert.

Die Quantenmechanik beschreibt sehr erfolgreich das Verhalten von Partikeln auf den kleinsten Masse- und Längenskalen. Die offensichtliche Unvereinbarkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

Anbausysteme im Wandel: Europäische Ackerbaubetriebe müssen sich anpassen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Neue Einblicke in die Welt der Trypanosomen

16.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Maschinensteuerung an Anwender: Intelligentes System für mobile Endgeräte in der Fertigung

16.08.2017 | Informationstechnologie

Komfortable Software für die Genomanalyse

16.08.2017 | Informationstechnologie