Wenn für Fischlarven die Nacht zum Tag wird

Sie sind durchsichtig und so klein, dass man sie mit bloßem Auge kaum erkennen kann. Doch obwohl sie so unscheinbar daherkommen, sind Zebrafischlarven in Industrie und Wissenschaft für Forschungszwecke weltweit sehr beliebt.

Sie eignen sich hervorragend als Biosensoren und werden in zahlreichen Versuchen eingesetzt, um beispielsweise die Auswirkungen von Chemikalien (auch in Form von Nanopartikeln), Kosmetika oder Medikamenten auf Gewässerorganismen zu untersuchen.

Dabei wird beobachtet, ob sich das Bewegungsmuster der Larven ändert, wenn entsprechende Substanzen zugesetzt werden. Um bei den Versuchen Dunkelphasen zu simulieren, wird standardmäßig ein spezielles Infrarotlicht verwendet.

Eine Infrarotkamera zeichnet die Bewegungen der Larven dabei weiter auf und liefert sichtbare Bilder. Biologinnen der Universität Siegen haben jetzt herausgefunden: Zebrafischlarven nehmen das Infrarotlicht – entgegen bisheriger Annahmen – durchaus wahr und reagieren darauf.

„Aus Sicht der Larven sind die Dunkel- oder Nachtphasen in den Versuchen gar nicht dunkel“, erklärt Biologie-Professorin Dr. Klaudia Witte. Ein Ergebnis, das sie und Doktorandin Sarah Hartmann überrascht hat und in dem die beiden Wissenschaftlerinnen weitreichende Konsequenzen sehen:

„Das Genom der Zebrafische ist vollständig bekannt. Ihre Larven werden daher auch für neurowissenschaftliche und biomedizinische Studien genutzt“, sagt Sarah Hartmann. Bei den Tests kommen standardisierte Tracking-Systeme zum Einsatz, die mit Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 860 Nanometern arbeiten. Genau dieses Licht nehmen die Larven jedoch sehr wohl wahr, wie Witte und Hartmann mit ihrer Studie bewiesen haben.

„Das Licht eignet sich daher nicht, um in Versuchen den natürlichen Wechsel zwischen Hell- und Dunkelphasen zu simulieren“, stellt Klaudia Witte fest.

Streng genommen müssten nach diesem Ergebnis sämtliche bisherigen Tests mit Zebrafischlarven wiederholt werden. Denn ob während der Untersuchungen ein Tag-Nacht-Wechsel stattfindet oder gefühlt dauerhaft Tag ist, macht durchaus einen Unterschied, erklärt Witte: „Licht hat zahlreiche Auswirkungen auf Organismen. Dauerlicht kann die Aktivität künstlich erhöhen, aber auch senken.

Die Zellen können sich zudem nicht regenerieren und es können verstärkt Stresshormone ausgeschüttet werden.“ Die Siegener Wissenschaftlerinnen wünschen sich, dass ihre Ergebnisse bei zukünftigen Untersuchungen mit Zebrafischlarven berücksichtigt werden. Das Problem lasse sich leicht lösen, indem man Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von mindestens 960 Nanometern verwende, sagt Witte: „Wir konnten nachweisen, dass die Larven dieses Licht tatsächlich nicht wahrnehmen und somit für sie Dunkelheit herrscht.“

Für ihre Versuche haben Witte und Hartmann im Fischlabor der Universität Siegen einen lichtundurchlässigen schwarzen Metallschrank aufgebaut. Darin werden die Zebrafischlarven in Petrischalen verschiedenen Lichtquellen ausgesetzt: Blau-weißes Licht wird für die Tagphasen verwendet, Infrarotlicht mit verschiedenen Wellenlängen für die Nachtphasen. Eine in dem Schrank installierte Kamera filmt die Aktivitäten der Fischlarven in der Schale.

Über einen angeschlossenen Bildschirm können die Aufzeichnungen verfolgt werden. Dieses Tracking-System haben Informatiker der Uni Siegen speziell für die Studie entwickelt. Prof. Dr. Klaus-Dieter Kuhnert und Jan Kunze vom Institut für Echtzeit Lernsysteme (EZLS) haben es konstruiert und die Software zur Bewegungserkennung geschrieben.

„Auf das blau-weiße Licht und auf das 860 nm-Infrarotlicht haben die Larven eindeutig reagiert. Wir konnten beobachten, dass sie sich in beiden Fällen von der Lichtquelle wegbewegt haben, es also wahrnehmen“, erklärt Sarah Hartmann. Zebrafischlarven seien generell nicht dem Licht zugewandt und würden helles Licht daher meiden.

Bei Versuchen mit 960 nm-Infrarotlicht konnten die Biologinnen diese so genannte „negative Phototaxis“ hingegen nicht beobachten: „Die Larven meiden dieses Licht nicht, weil sie es offensichtlich nicht wahrnehmen. Darum ist es für die Simulation von Dunkelphasen in Versuchen besser geeignet.“ Warum Zebrafischlarven bestimmtes Licht wahrnehmen und anderes nicht, ist noch unklar.

Hintergrund:
Die Studie mit den Zebrafischlarven fand im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojektes FENOMENO statt, bei dem die Auswirkungen von Nanopartikeln auf die aquatische Umwelt untersucht wurden. Kürzlich haben Sarah Hartmann und Klaudia Witte ihre Ergebnisse in dem Forschungsmagazin „PLoS ONE“ veröffentlicht.

Prof. Dr. Klaudia Witte
E-Mail.: Witte@biologie.uni-siegen.de
Tel.: 0271-740 3297

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0207264