Warum haben Schweinsfische einen Lichtdetektor in ihrer Haut?

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Vor ein paar Jahren wurde die Biologin Lori Schweikert während eines Angelausflugs in den Florida Keys mit einer ungewöhnlichen Verwandlungshandlung konfrontiert. Sie holte einen Rifffisch mit spitzer Schnauze namens Schweinsfisch ein und warf ihn an Bord. Doch als sie es später in eine Kühlbox legte, bemerkte sie etwas Seltsames: Die Haut hatte die gleiche Farbe und das gleiche Muster wie das Deck des Bootes angenommen.

Der Schweinsfisch ist ein im Westatlantik von North Carolina bis Brasilien verbreiteter Fisch und für seine farbverändernde Haut bekannt. Die Art kann sich innerhalb von Millisekunden von weiß über fleckig bis hin zu rötlich-braun verwandeln und mit Korallen, Sand oder Felsen harmonieren.

Dennoch war Schweikert überrascht, denn dieser Schweinefisch hatte seine Tarnung fortgesetzt, obwohl er nicht mehr lebte. Was sie dazu brachte, sich zu fragen: Können Schweinsfische Licht nur mithilfe ihrer Haut erkennen, unabhängig von ihren Augen und ihrem Gehirn?

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„Das hat mir dieses ganze Feld eröffnet“, sagte Schweikert.

In den folgenden Jahren begann Schweikert als Postdoktorand an der Duke University und der Florida International University mit der Erforschung der Physiologie des „Hautsehens“.

Im Jahr 2018 veröffentlichte der Schweikert- und Duke-Biologe Sönke Johnsen eine Studie, die zeigt, dass Schweinsfische ein Gen für ein lichtempfindliches Protein namens Opsin tragen, das in ihrer Haut aktiviert wird, und dass sich dieses Gen von den Opsin-Genen in ihren Augen unterscheidet.

Es wurde festgestellt, dass auch andere farbverändernde Tiere, vom Kraken bis zum Gecko, lichtempfindliche Opsine in ihrer Haut produzieren. Es ist jedoch unklar, wie sie genau dazu dienen, die Farbe zu ändern.

„Als wir es im Schweinsfisch gefunden haben, habe ich zu Sönke geschaut und gesagt: Warum einen Lichtdetektor in der Haut haben?“ sagte Schweikert, jetzt Assistenzprofessor an der University of North Carolina Wilmington.

Eine Hypothese besagt, dass lichtempfindliche Haut Tieren hilft, ihre Umgebung wahrzunehmen. Aber neue Erkenntnisse deuten auf eine andere Möglichkeit hin – „dass sie es nutzen könnten, um sich selbst zu sehen“, sagte Schweikert.

In einer am 22. August in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichten Studie haben sich Schweikert, Johnsen und Kollegen zusammengetan, um die Haut von Schweinsfischen genauer zu untersuchen.

Die Forscher entnahmen Hautstücke aus verschiedenen Körperteilen des Fisches und fotografierten sie unter dem Mikroskop.

Aus der Nähe sieht die Haut eines Schweinsfisches aus wie ein pointillistisches Gemälde. Jeder Farbpunkt ist eine spezielle Zelle, die als Chromatophor bezeichnet wird und Pigmentkörnchen enthält, die rot, gelb oder schwarz sein können.

Es ist die Bewegung dieser Pigmentkörnchen, die die Hautfarbe verändert. Wenn sich die Körnchen über die Zelle verteilen, erscheint die Farbe dunkler. Wenn sie sich zu einem winzigen Fleck zusammenballen, der schwer zu erkennen ist, wird die Zelle transparenter.

Als nächstes verwendeten die Forscher eine Technik namens Immunmarkierung, um die Opsin-Proteine ​​in der Haut zu lokalisieren. Sie fanden heraus, dass beim Schweinsfisch in den farbverändernden Chromatophorzellen keine Opsine produziert werden. Stattdessen befinden sich die Opsine in anderen Zellen direkt darunter.

Mit einem Transmissionselektronenmikroskop aufgenommene Bilder zeigten einen bisher unbekannten Zelltyp direkt unterhalb der Chromatophoren, vollgepackt mit Opsin-Protein.

Das bedeutet, dass Licht, das auf die Haut trifft, zunächst die pigmentgefüllten Chromatophore passieren muss, bevor es die lichtempfindliche Schicht erreicht, sagte Schweikert.

Die Forscher schätzen, dass die Opsinmoleküle in der Schweinefischhaut am empfindlichsten auf blaues Licht reagieren. Dies ist zufällig die Wellenlänge des Lichts, die die Pigmentkörnchen in den Chromatophoren des Fisches am besten absorbieren.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die lichtempfindlichen Opsine der Fische in gewisser Weise wie ein interner Polaroidfilm wirken und Veränderungen im Licht einfangen, das durch die pigmentgefüllten Zellen darüber dringen kann, wenn sich die Pigmentkörnchen zusammenballen oder auffächern.

„Die Tiere können buchstäblich von innen ein Foto ihrer eigenen Haut machen“, sagte Johnsen. „In gewisser Weise können sie dem Tier sagen, wie seine Haut aussieht, da es sich nicht wirklich bücken kann, um hinzuschauen.“

„Um es klarzustellen: Wir behaupten nicht, dass die Haut eines Schweinsfisches wie ein Auge funktioniert“, fügte Schweikert hinzu. Augen können mehr als nur Licht wahrnehmen – sie erzeugen Bilder. „Wir haben keine Beweise dafür, dass das in ihrer Haut passiert“, sagte Schweikert.

Vielmehr handelt es sich um einen sensorischen Feedback-Mechanismus, der es dem Schweinsfisch ermöglicht, seine eigene Haut zu überwachen, wenn sie ihre Farbe ändert, und sie so anzupassen, dass sie zu dem passt, was sie mit ihren Augen sieht.

„Sie scheinen zu beobachten, wie sich ihre eigene Farbe ändert“, sagte Schweikert.

Die Forscher sagen, dass die Arbeit wichtig ist, weil sie den Weg zu neuen sensorischen Feedback-Techniken für Geräte wie Roboterglieder und selbstfahrende Autos ebnen könnte, die ihre Leistung verfeinern müssen, ohne sich ausschließlich auf Sehkraft oder Kamera-Feeds zu verlassen.

„Sensorisches Feedback ist einer der Tricks, die die Technologie immer noch herauszufinden versucht“, sagte Johnsen. „Diese Studie ist eine schöne Analyse eines neuen sensorischen Feedbacksystems.“

„Wenn Sie keinen Spiegel hätten und Ihren Hals nicht beugen könnten, wie würden Sie dann wissen, ob Sie angemessen gekleidet sind?“ sagte Schweikert. „Für uns spielt es vielleicht keine Rolle“, fügte sie hinzu. Aber für Kreaturen, die ihre Farbwechselfähigkeiten nutzen, um sich vor Raubtieren zu verstecken, Rivalen zu warnen oder Partner zu werben, „könnte es um Leben oder Tod gehen.“

Referenz: Schweikert LE, Bagge LE, Naughton LF, et al. Dynamische Lichtfilterung über dermalem Opsin als sensorisches Feedbacksystem bei der Farbveränderung von Fischen. Nat Commun. 2023;14(1):4642. doi: 10.1038/s41467-023-40166-4

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