Physiker entschlüsseln Fisch-Seitenlinienorgan

Physiker der Technischen Universität München (TUM) haben das Seitenlinienorgan der Fische genauer unter die Lupe genommen und mathematisch entschlüsselt. In Zukunft könnten diese Erkenntnisse Robotern dazu verhelfen, sich noch sicherer durch die Welt zu bewegen.

Leo van Hemmen vom Lehrstuhl für Theoretische Biophysik am Physik-Department der TU München hat kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Review Letters über seine Forschungsergebnisse berichtet. Das renommierte Wissenschaftsjournal Nature stellt sie in der aktuellen Ausgabe als „Research Highlight“ vor.

Mit dem Seitenlinienorgan verfügen Fische und einige Amphibien über ein einzigartiges Sinnessystem, mit dem sie Objekte in ihrer näheren Umgebung abtasten, ohne direkten Körperkontakt zu ihnen zu haben. Selbst in trüben Gewässern, in die kaum mehr Licht eindringt, können etwa Hechte und Zander ihre Opfer erspüren, noch bevor sie diese tatsächlich berühren. Andere, wie etwa der blinde mexikanische Höhlenfisch, können mühelos Hindernissen ausweichen und Strukturen ihrer Umgebung erahnen. Das sind Beispiele, wo Strömungsänderungen vom Seitenliniensystem registriert werden und andere Sinne unterstützt. Der Fern-Tastsinn beruhe auf einer Messung der Druckverteilung und des Geschwindigkeitsfeldes im umgebenden Wasser, so der Forscher.

Leo van Hemmen und sein Team arbeiten seit fünf Jahren daran, die Leistungen des Seitenliniensystems zu erforschen und nach Möglichkeiten einer technischen Umsetzung zu suchen. Dazu wollen die Forscher zum Beispiel wissen, wie groß die Reichweite des Sinnesorgans ist und welche Auskunft es über bewegte Objekte geben kann. Um solchen Fragen auf den Grund zu gehen, haben die Wissenschaftler mathematische Modelle erstellt und diese mit tatsächlichen elektrischen Nervensignalen, so genannten Aktionspotenzialen verglichen. „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 haben gezeigt, dass Fische in einem Umkreis, dessen Radius ihrer eigenen Körperlänge entspricht, andere Fische verlässlich orten können. Das bedeutet auch, dass ein Raubfisch dank der Informationen über Größe und Gestalt eines Beutefisches entscheiden kann, ob sich eine Verfolgung lohnt oder nicht. Gleichzeitig kann ein Fisch auch zwischen Artgenossen und Räubern unterscheiden. Mit einer am Lehrstuhl entwickelten Formel kann aus den Signalen, die ein Seitenliniensystem erhält, der Winkel zwischen Fischachse und einer Wirbelstraße berechnet werden. Die rechnerisch ermittelten Werte für die Nervensignale am Sinnesorgan der Tiere stimmen genau mit den tatsächlich gemessenen elektrischen Impulsen aus der Ableitung von Nervenzellen überein, berichten die Forscher.

„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 rund 180 einzelnen Seitenlinienorganen beim Krallenfrosch und mehreren Tausenden beim Fisch gespeist, die jeweils aus mehreren Neuromasten bestehen. Die Integration dahinter ist eine Meisterleistung“, so van Hemmen. Die neuronale Verarbeitung und Integration verschiedener Sinneseindrücke zu einem einheitlichen Abbild der Wirklichkeit ist ein Schwerpunkt an seinem Lehrstuhl. Interessiert sind die Wissenschaftler daher auch an der Infrarotwahrnehmung von Wüstenschlangen, an Vibrationssensoren an Skorpionsfüßen oder dem Gehör von Schleiereulen. „Die Technik ist der Natur zwar in einigen Bereichen überlegen, doch in der kognitiven Verarbeitung gewonnener Eindrücke hinkt sie der Natur weit hinterher“, erklärt der Physiker.

„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.“ Mit einem nachgebauten Seitenliniensystem, das in Luft näherungsweise ebenso gut funktioniert wie unter Wasser, könnten sich Roboter in Menschenmengen bewegen, ohne anzuecken. Das System würde sich natürlich auch zur Anwendung unter Wasser eignen.