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Schlangensterne verwenden Kristalllinsen zur Erkennung herannahender Feinde

02.09.2001 - (idw) Weizmann Institut

Schlangensterne der Art Ophiocoma wendtii bilden kirstalline Linsen in ihrem Skelett, mit deren Hilfe sie herannahende Fressfeinde erkennen, das berichtet eine Studie in der Zeitschrift Nature vom 23. August. Dieses einzigartige 'Sehsystem' ist das erste seiner Art, das bei heute auf der Erde lebenden Tieren beobachtet wurde. Die Entdeckung ist das Ergebnis einer gemeinsamen Studie von Wissenschaftlern am Weizmann Institut in Rehovot, Israel; von Bell Laboratories/Lucent Technologies in New Jersey und vom Natural History Museum of Los Angeles County in Los Angeles, Kalifornien.

Schlangensterne sind wirbellose Meerestiere mit gewoehnlich fuenf duennen, langen Armen, die von einem kleinen, scheibenfoermigen Koerper ausstrahlen. Sie gehoeren wie Seeigel, Seegurken, Seesterne und andere Meerestiere zum Stamm der Echinodermata (Stachelhaeuter).

In den vergangenen Jahren fuehrten Prof. Lia Addadi, Dekanin der Fakultaet fuer Chemie des Weizmann Instituts, und Prof. Steve Weiner von der Abteilung Strukturelle Biologie des Instituts eine Reihe von Untersuchungen ueber die verschiedenen Moeglichkeiten durch, wie Tiere ihr Skelett aufbauen. Die Wissenschaftler entdeckten, dass Tiere unterschiedliche Proteintypen produzieren, von denen einige die Bildung von Kristallen steuern. Die Idee fuer die gegenwaertige Studie entstand durch eine Begegnung der Weizmann-Forscher mit Dr. Gordon Hendler vom Museum fuer Naturgeschichte des Bezirks Los Angeles. Dr. Hendler machte sie auf eine bestimmte Art von Schlangensternen, Ophiocoma wendtii, aufmerksam; er wusste, dass Tiere dieser offensichtlich besonders lichtempfindlichen Art ihre Farbe veraendern koennen. Obwohl diese Tiere keine als Organ ausgebildeten Augen haben, sind sie faehig, Schatten zu erkennen und vor Feinden rasch in dunkle Felsspalten zu fliehen. Hendler vermutete, dass Felder von kugelfoermigen Kristallstrukturen an der Oberflaeche des aeusseren Skeletts das Licht wie Linsen zum Nervensystem der Schlangensterne uebertragen. Diese Hypothese wurde gestuetzt durch die Tatsache, dass die Schlangensterne in ihrem Skelett ueber ein relativ aufwendiges Nervennetz verfuegen. Darueber hinaus scheint die Bewegung von pigmentierten Zellen zwischen den Kristallstrukturen und den Nerven die Reaktion der Schlangensterne auf Licht zu veraendern.

Addadi und Weiner begannen gemeinsam mit ihrer damaligen Doktorandin Joanna Aizenberg, die heute bei Bell Laboratories arbeitet, mit der Erforschung dieses Phaenomens. Sie fanden heraus, dass jedes einzelne Skelettelement mit seinen hunderten von Linsen aus einem Einkristall aus Kalzit besteht; die optische Achse des Kristalls ist ungefaehr rechtwinklig zur Ebene des Linsenfeldes. Das bedeutet, dass das Kalzitlinsenfeld Licht uebertragen kann, ohne es in verschiedene Richtungen zu streuen. Es stellt sich nun die Frage, ob der Brennpunkt der Linse in ihrer spezifischen geometrischen Form genau ueber dem Gebiet liegt, wo unter dem Skelett die Nerven des Schlangensterns verlaufen? Mit anderen Worten: Leiten und buendeln die Linsen Licht und uebertragen die konzentrierten Strahlen ins Innere des Gewebes zum Nervensystem?

Diese Fragen blieben fast zehn Jahre unbeantwortet, bis die Forscher juengst einen Weg fanden, sie experimentell auf kontrollierte Weise zu ueberpruefen. Das Experiment wurde bei Bell Laboratories mit Hilfe von Lithografie, einer Halbleiter-Technik, durchgefuehrt. Dr. Aizenberg entfernte eine Kalzitkristallgruppe aus dem Skellettelement eines Schlangensterns der Art Ophiocoma wendtii, legte es auf eine Schicht photosensitiven Materials und strahlte Licht ein. Wie sie feststellte, erreicht das Licht das photosensitive Material an Stellen direkt unter den Kalzitkristallen. Durch Veraenderung der Entfernung zwischen den Linsen und dem lichtempfindlichen Material fand sie heraus, dass die Brennweite jeder Linse - jene Entfernung, bei der die Linse das Licht etwa fuenzigfach konzentriert - genau mit der Tiefe uebereinstimmt, in der die Nervenbuendel, die vermutlich als Fotorezeptoren dienen, im Gewebe der Schlangensterne eingelagert sind.

Die Kristalllinsen und die pigmentierten Zellen im Skelett von Ophiocoma wendtii dienen somt als 'korrektive Brillen,' die das Licht filtern und auf die Fotorezeptoren fokussieren. Diese Art 'Sehsystem' wurde bisher bei keinem gegenwaertig auf der Erde vorkommenden Tier beschrieben, doch Prof. Weiner macht darauf aufmerksam, dass Kalzitkristalle auch in den Facettenaugen von Trilobiten vorkamen, also bei heute ausgestorbenen Meerestieren, die die Erde vor rund 350 Millionen Jahren bevoelkerten.

In ihrem Bericht in Nature schreiben die Wissenschaftler abschliessend: 'Die hier gezeigte Verwendung von Kalzit bei Schlangensternen, sowohl als optisches Element als auch als mechanische Stuetze, veranschaulicht die beachtliche Faehigkeit von Lebewesen, durch den Prozess der Evolution ein Material fuer mehrere Funktionen zu optimieren, was wiederum neue Ideen fuer die Herstellung 'intelligenter' Werkstoffe liefert.'

Prof. Stephen Weiner ist Inhaber des Dr.-Walter-und-Trude-Borchardt Lehrstuhls fuer Strukturelle Biologie. Seine Forschungsarbeit wird gefoerdert durch das Helen-und-Martin-Kimmel-Zentrum fuer archaeolgische Forschung, George Schwartzman aus Sarasota, Florida und die Angel-Faivovich-Stiftung fuer Umweltforschung.

Prof. Lia Addadi ist Inhaberin des Dorothy-und-Patrick-Gorman-Lehrstuhls. Ihre Forschungsarbeit wird unterstuetzt durch die Minerva-Stiftung Gesellschaft fuer die Forschung m.b.H.

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