Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Unsichtbare Spuren im Wasser - Die mathematische Entschlüsselung eines faszinierenden Sinnesorgans

27.08.2009
Fische und einige Amphibien verfügen über ein einzigartiges Sinnessystem, das der Seitenlinienorgane.

Mit ihnen tasten sie Objekte in ihrer näheren Umgebung ab, ohne direkten Körperkontakt zu ihnen. Professor Leo van Hemmen erforscht mit seinem Team am Physik-Department der Technischen Universität München (TUM) die Grundlagen dieser Wahrnehmung.

Seine Forschungsergebnisse veröffentlichte van Hemmen kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Review Letters. Das renommierte Wissenschaftsjournal Nature stellt sie in der aktuellen Ausgabe als "Research Highlight" vor.

Mit unseren Sinnen nehmen wir nur einen Bruchteil der Informationen wahr, die uns umgeben. Infrarotlicht, elektromagnetische Wellen und Ultraschall sind nur einige Beispiele von äußeren Einflüssen, die wir Menschen nur über Messgeräte erfassen können - während bestimmte Tiere eigens dafür ausgerichtete Sinnesorgane besitzen. Ein solches fremdartiges Sinnessystem von Fischen und einigen Amphibien nimmt Professor Leo van Hemmen mit seinem Forschungsteam am Lehrstuhl für Theoretische Biophysik am Physik-Department der TU München unter die Lupe.

Selbst in trüben Gewässern, in die kaum mehr Licht eindringt, erspüren Hechte und Zander ihre Opfer, noch bevor sie diese tatsächlich berühren. Der blinde mexikanische Höhlenfisch weicht mühelos Hindernissen aus und kann Strukturen seiner Umgebung erahnen. Welse verfolgen auf der Jagd eine unsichtbare Fährte, die sie direkt zu ihrer Beute führt. Das geheimnisvolle Organ, das sie dabei leitet, ist das Seitenliniensystem, das Strömungsänderungen registriert und so besonders im Dunklen oder in trübem Wasser den Sehsinn unterstützt.

Dieser auf den ersten Blick mysteriöse Fern-Tastsinn beruht auf einer Messung der Druckverteilung und des Geschwindigkeitsfeldes im umgebenden Wasser. Die dafür zuständigen Seitenlinienorgane ziehen sich links und rechts am Fischkörper entlang und umgeben zusätzlich Augen und Maul. Sie bestehen aus gallertartigen, biegsamen Fähnchen, die etwa einen Zehntel Millimeter messen, so genannten Neuromasten. Diese sitzen entweder direkt auf der Oberfläche der Tiere oder in Kanälen dicht unter ihrer Haut, in die über Poren Wasser eindringt. Sensibel folgen die Fähnchen bereits kleinsten Wasserbewegungen. Daran gekoppelt sind Haarsinneszellen, die den Schalldrucksensoren im menschlichen Innenohr ähneln. Nerven leiten die Signale aus den Haarsinneszellen weiter zur zentralen Verarbeitung im Gehirn, das mögliche Quellen der Strömungsänderungen lokalisiert und identifiziert.

Diese Änderungen können auf unterschiedliche Weise entstehen: Ein vorbei schwimmender Fisch erzeugt Schwingungen, die direkt auf das Organ übertragen werden. Darüber erkennen Schwarmfische einen nahenden Angreifer und synchronisieren ihre Schwimmbewegungen so, dass sie einem einzigen großen Organismus gleichen. Der mexikanische Höhlenfisch schiebt hingegen eine regelrechte Bugwelle vor sich her, die von Hindernissen zurück geworfen wird. Der Wels wiederum nutzt die Tatsache aus, dass ein schwimmender Beutefisch, der mit seiner Schwanzflosse schlägt, eine Spur aus Wasserstrudeln hinterlässt, eine so genannte Wirbelstraße, die über eine Minute lang bestehen bleibt und ihn verraten kann.

Leo van Hemmen und sein Team erforschen seit fünf Jahren die Leistungen des Seitenliniensystems und ermitteln sein Potential für eine mögliche technische Umsetzung. Wie weit ist die Reichweite eines solchen Sinnesorgans und welche Auskunft kann es über bewegte Objekte geben? Welche Stimuli erhalten die Seitenlinien aus dem Wassersog eines anderen Fisches und wie werden diese verarbeitet? Um diesen Fragen auf den Grund zu gehen, erstellen die Wissenschaftler mathematische Modelle und vergleichen diese mit tatsächlichen elektrischen Nervensignalen, so genannten Aktionspotentialen. Die Daten dafür gewinnen experimentelle Biologen, mit denen sie zusammenarbeiten, aus Messungen an Seitenlinienorganen von Krallenfröschen oder Höhlenfischen. "Biologische Systeme folgen eigenen, aber innerhalb der Biologie universell gültigen Gesetzmäßigkeiten. Man kann sie mathematisch beschreiben, wenn man nur die richtigen biophysikalischen beziehungsweise biologischen Begriffe und damit die richtige Formel findet", so van Hemmen.

Jeder Fisch überträgt eindeutige und differenzierte Informationen über sich selbst in das Strömungsfeld. Die Untersuchungen zeigten, dass Fische in einem Umkreis, dessen Radius ihrer eigenen Körperlänge entspricht, andere Fische verlässlich orten können. So kann ein Raubfisch dank der Informationen über Größe und Gestalt eines Beutefisches entscheiden, ob sich eine Verfolgung lohnt oder nicht. Gleichzeitig kann so auch der Beutefisch zwischen Artgenossen und Räubern unterscheiden.

Mit einer weiteren am Lehrstuhl entwickelten Formel kann aus den Signalen, die ein Seitenliniensystem erhält, der Winkel zwischen Fischachse und einer Wirbelstraße berechnet werden - und das auf einem Leistungsniveau, das dem des Nervensystems der Fische entspricht. Erstaunlich genau stimmen die rechnerischen ermittelten Werte für die Nervensignale am Sinnesorgan der Tiere mit den tatsächlich gemessenen elektrischen Impulsen aus der Ableitung von Nervenzellen überein.

"Der Seitenliniensinn hat mich sofort fasziniert, da er nicht nur auf den ersten, sondern auch auf den zweiten Blick grundlegend anders ist als beispielsweise der Seh- oder Hörsinn. Er beschreibt nicht nur eine andere Qualität der Wirklichkeit, sondern wird auch statt von nur zwei Augen oder Ohren von cira 180 einzelnen Seitenlinienorganen beim Krallenfrosch und mehreren Tausenden beim Fisch gespeist, die jeweils aus mehreren Neuromasten bestehen. Die Integration dahinter ist eine Meisterleistung." begründet van Hemmen sein Interesse.

Die neuronale Verarbeitung und Integration verschiedener Sinneseindrücke zu einem einheitlichen Abbild der Wirklichkeit ist ein Schwerpunkt an seinem Lehrstuhl, sie wird auch am Beispiel der Infrarotwahrnehmung von Wüstenschlangen, Vibrationssensoren an den Füßen von Skorpionen oder dem Gehör von Schleiereulen untersucht. "Die Technik ist der Natur zwar in einigen Bereichen überlegen, doch in der kognitiven Verarbeitung gewonnener Eindrücke hinkt sie der Natur weit hinterher. Mein Traum ist es, Roboter mit mehr als einer Sinnesmodalität auszustatten. Statt ihnen immer mehr Kameras einzubauen, sollte man ihnen zusätzlich Sensoren für Schall und Tastempfinden mit auf den Weg geben," sagt van Hemmen.

Mit einem nach gebauten Seitenliniensystem, das in Luft näherungsweise ebenso gut funktioniert wie unter Wasser, könnten sich Roboter in Menschenmengen bewegen, ohne anzuecken. Aber auch im Wasser bietet das System viel versprechende Anwendungen: Unterwasserroboter könnten sich bei der Erforschung von unzugänglichen Höhlensystemen und Tiefseevulkanen orientieren, Tauchboote auch in trüben Gewässern Hindernisse orten. Ein solches Unterwasserfahrzeug wird zurzeit im Rahmen des EU-Projektes "CILIA" in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Steuerungs- und Regelungstechnik entwickelt.

Kooperationen mit dem Exzellenzcluster CoTeSys (Cognition for Technical Systems) und des neu geschaffenen Leonardo da Vinci Zentrums für Bionik an der TUM, vom Bernstein Center for Computational Neuroscience sowie mit dem Lehrstuhl für humanoide Roboter bieten die ideale Grundlage für weitere Forschung.

Kontakt:

Prof. Dr. Leo van Hemmen
Technische Universität München
Physik Department T35, Lehrstuhl für Theoretische Biophysik
James-Franck-Str., D 85747 Garching
Tel.: +49 89 289 12362
Fax: +49 89 289 14656
E-Mail: lvh@tum.de
Weitere Informationen:
http://www.T35.ph.tum.de/ Website des Lehrstuhls
http://dx.doi.org/10.1038/4601061a Following in the wake, Nature 460, 1061 (27 August 2009)
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.078102 Physical Review Letters 103, 078102 (2009)

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.058104 Physical Review Letters, 102, 058104 (2009)

Dr. Ulrich Marsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.tum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Bakterieller Untermieter macht Blattnahrung für Käfer verdaulich
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

nachricht Neues Werkzeug für gezielten Proteinabbau
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

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: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte