Schlangensterne verwenden Kristalllinsen zur Erkennung herannahender Feinde

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 gewöhnlich fünf dünnen, langen Armen, die von einem kleinen, scheibenförmigen Körper ausstrahlen. Sie gehören wie Seeigel, Seegurken, Seesterne und andere Meerestiere zum Stamm der Echinodermata (Stachelhäuter).

In den vergangenen Jahren führten Prof. Lia Addadi, Dekanin der Fakultät für Chemie des Weizmann Instituts, und Prof. Steve Weiner von der Abteilung Strukturelle Biologie des Instituts eine Reihe von Untersuchungen über die verschiedenen Möglichkeiten durch, wie Tiere ihr Skelett aufbauen. Die Wissenschaftler entdeckten, dass Tiere unterschiedliche Proteintypen produzieren, von denen einige die Bildung von Kristallen steuern. Die Idee für die gegenwärtige Studie entstand durch eine Begegnung der Weizmann-Forscher mit Dr. Gordon Hendler vom Museum für 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 verändern können. Obwohl diese Tiere keine als Organ ausgebildeten Augen haben, sind sie fähig, Schatten zu erkennen und vor Feinden rasch in dunkle Felsspalten zu fliehen. Händler vermutete, dass Felder von kugelförmigen Kristallstrukturen an der Oberfläche des äußeren Skeletts das Licht wie Linsen zum Nervensystem der Schlangensterne übertragen. Diese Hypothese wurde gestützt durch die Tatsache, dass die Schlangensterne in ihrem Skelett über ein relativ aufwendiges Nervennetz verfügen. Darüber hinaus scheint die Bewegung von pigmentierten Zellen zwischen den Kristallstrukturen und den Nerven die Reaktion der Schlangensterne auf Licht zu verändern.

Addadi und Weiner begannen gemeinsam mit ihrer damaligen Doktorandin Joanna Aizenberg, die heute bei Bell Laboratories arbeitet, mit der Erforschung dieses Phänomens. Sie fanden heraus, dass jedes einzelne Skelettelement mit seinen hunderten von Linsen aus einem Einkristall aus Kalzit besteht; die optische Achse des Kristalls ist ungefähr rechtwinklig zur Ebene des Linsenfeldes. Das bedeutet, dass das Kalzitlinsenfeld Licht übertragen 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 über dem Gebiet liegt, wo unter dem Skelett die Nerven des Schlangensterns verlaufen? Mit anderen Worten: Leiten und bündeln die Linsen Licht und übertragen die konzentrierten Strahlen ins Innere des Gewebes zum Nervensystem?

Diese Fragen blieben fast zehn Jahre unbeantwortet, bis die Forscher jüngst einen Weg fanden, sie experimentell auf kontrollierte Weise zu überprüfen. Das Experiment wurde bei Bell Laboratorien mit Hilfe von Lithografie, einer Halbleiter-Technik, durchgeführt. Dr. Aizenberg entfernte eine Kalzitkristallgruppe aus dem Skelettelement 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 Veränderung 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 fugenzigfach konzentriert – genau mit der Tiefe übereinstimmt, in der die Nervenbündel, die vermutlich als Fotorezeptoren dienen, im Gewebe der Schlangensterne eingelagert sind.

Die Kristalllinsen und die pigmentierten Zellen im Skelett von Ophiocoma wendtii dienen somit als ’korrektive Brillen,’ die das Licht filtern und auf die Fotorezeptoren fokussieren. Diese Art ’Sehsystem’ wurde bisher bei keinem gegenwärtig 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 bevölkerten.

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 Stütze, veranschaulicht die beachtliche Fähigkeit von Lebewesen, durch den Prozess der Evolution ein Material für mehrere Funktionen zu optimieren, was wiederum neue Ideen für die Herstellung ’intelligenter’ Werkstoffe liefert.’

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

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