Menschen sehen die Welt mit ihren Augen, aber Fische können die Welt mit ihrer Haut „sehen“?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Tian Dawei (populärwissenschaftlicher Autor)

Hersteller: China Science Expo

Wenn es darum geht, Dinge zu sehen, besteht unsere erste Reaktion darin, mit unseren Augen zu sehen.

Doch vor kurzem haben Wissenschaftler entdeckt, dass es eine Fischart gibt, die nicht nur Dinge mit ihren Augen sehen, sondern auch ihre Umgebung mit ihrer Haut „beobachten“ kann. Auch nach dem Tod sind die Rezeptoren in der Haut noch funktionsfähig.

Schweinsfische sehen die Welt durch ihre Haut

Dieser Fisch heißt Lachnolaimus maximus. Es hat eine lange Nase, die ein bisschen wie die Nase eines Schweins aussieht, und verwendet diese Nase, um im Sand nach versteckten Krebstieren zu suchen. Diese Suchbewegung ähnelt besonders stark der eines Schweins, das mit der Nase gräbt, weshalb sie auch als Schweinsfische bezeichnet werden.

Schweinsfisch

(Bildquelle: Wiki)

Das Besondere am Schweinsfisch ist nicht seine Nase, sondern seine Fähigkeit, seine Farbe zu ändern .

Schweinsfische können ihre Hautfarbe schnell anpassen, um sich der umgebenden Korallenriffumgebung anzupassen, oder zu leuchtenden Farben wechseln, um Konkurrenten zu vertreiben oder das andere Geschlecht anzuziehen.

Bei den bekannten Chamäleons dauert es oft mehrere Minuten, bis sie ihre Farbe ändern, bei Schweinsfischen hingegen ist der Farbwechsel sehr schnell, sogar die Farbe ihrer Haut ändert sich in weniger als einer Sekunde, was mit Tieren wie Kraken und Kalmaren vergleichbar ist.

Krake, der sofort seine Farbe ändern kann

(Bildquelle: Wiki)

Noch interessanter ist, dass diese Fische auch nach ihrem Tod noch ihre Farbe ändern können . Die Entdeckung wurde von der Biologin Lori Schweikert gemacht. Vor ein paar Jahren hat sie beim Angeln einen Schweinsfisch gefangen. Der Schweinsfisch starb kurz nachdem er das Wasser verlassen hatte. Schweikert warf den toten Schweinsfisch auf das Deck. Als sie den Schweinsfisch nach einer Weile in den Kühlschrank legen wollte, stellte sie fest, dass die Haut des Schweinsfischs die gleiche Farbe angenommen hatte wie das Deck.

Diese Entdeckung überraschte sie sehr. Bisher glaubten Wissenschaftler, dass Schweinsfische ihre Farbe ändern, indem sie ihre Umgebung mit den Augen beobachten und dann über ihr Gehirn Befehle an die Haut senden. Doch nachdem der Schweinsfisch gestorben ist, funktionieren die Augen und das Sehsystem des Gehirns nicht mehr. Wie können sie dann noch ihre Farbe ändern? Können Schweinsfische ihre Farbe ändern, ohne sich auf ihr Gehirn und ihre Augen zu verlassen?

Schweikert beim Fischen nach Langhaarlippigen Lippfischen

(Bildquelle: Nature Communications)

Obwohl bereits bekannt ist, dass Weichtiere wie Kraken und Kalmare ihre Umgebung tatsächlich über Fotorezeptoren auf ihrer Haut wahrnehmen können. Bei Fischen konnte dies bisher jedoch nicht beobachtet werden. Also begannen Schweikert und seine Kollegen, die Farbveränderung von Schweinsfischen zu untersuchen.

Im Jahr 2018 veröffentlichten Schweikert und seine Kollegen einen Artikel, in dem Wissenschaftler darauf hinwiesen, dass es in der Haut von Schweinsfischen ein lichtempfindliches Protein gibt – das visuelle Protein SWS1 . Dieses Opsin kommt in den Zapfen vieler Tiere, einschließlich des Menschen, vor.

Fünf Jahre später, im August 2023, veröffentlichten Schweikert und seine Kollegen einen weiteren Artikel in Nature Communications, in dem sie erklärten, wie die lichtempfindlichen Proteine ​​in der Haut von Schweinsfischen ihnen helfen, ihre Hautfarbe anzupassen.

Um dies zu verstehen, müssen wir zunächst über das Prinzip der Farbänderung beim Schweinsfisch sprechen.

Das Prinzip des biologischen Farbwechsels

Das Prinzip des Farbwechsels bei Schweinsfischen ähnelt stark dem von Chamäleons, Kraken und Kalmaren und wird durch die Regulierung der Pigmentzellen im Körper erreicht .

Chamäleon

(Bildquelle: Wiki)

In der neuesten Studie entdeckten Schweikert und seine Kollegen rote, gelbe und schwarze Pigmentzellen in der Haut von Schweinsfischen. Durch die Anpassung der relativen Größe dieser Pigmentzellen kann die Haut verschiedene Arten von Farben darstellen , ähnlich wie wir Farbe zum Mischen von Farben verwenden.

Darüber hinaus beobachteten Schweikert und seine Kollegen auch Regenbogenpigmentzellen und weiße Pigmentzellen unter einem optischen Mikroskop. Diese beiden Arten von Pigmentzellen unterscheiden sich von den roten, gelben und schwarzen Pigmentzellen.

Schillernde Pigmentzellen kommen eigentlich nicht in vielen Farben vor, sie passen jedoch die Struktur von Guaninkristallen an , um die Haut in leuchtenden Farben erscheinen zu lassen.

Ebenso besitzen Leukozyten zwar keine eigentlichen weißen Pigmente, reflektieren aber ebenfalls Licht, indem sie die Struktur von Guaninkristallen anpassen .

Diese in der Haut verteilten Pigmentzellen sind die Grundlage für Farbveränderungen bei Organismen wie Schweinsfischen .

Schweinsfischhaut und Pigmentzellen in der Haut

(Bildquelle: Referenz [2])

Dabei übernimmt das Sehprotein SWS1 die Funktion des „Sehens“ vom Inneren der Haut nach außen. Es führt eine Feinabstimmung seiner Pigmentzellen auf der Grundlage der subtilen Unterschiede durch, die es „sieht“.

In der Haut des Schweinsfisches befindet sich das SWS1-Opsin unter den Pigmentzellen, sodass die Größe der Pigmentzellen das Licht beeinflusst, das das Opsin erreicht .

Durch Ausnutzung der Unterschiede im empfangenen Licht kann SWS1 die Pigmentzellen so feinabstimmen, dass die Hautfarbe der Umgebung ähnlicher erscheint.

Abschluss

Man wusste bereits, dass es in der Haut von Tieren Sehproteine ​​gibt, hat jedoch nie untersucht, wie diese Sehproteine ​​Tieren dabei helfen, ihre Farbe zu ändern.

Tatsächlich unterscheidet sich der Mechanismus des „Sehens“ durch visuelle Proteine ​​in der biologischen Haut vom visuellen „Auge-Gehirn“-Mechanismus. Es kann den Unterschied zwischen Haut- und Umgebungsfarben einfacher und schneller beurteilen.

Durch das Verständnis des Prinzips der biologischen Farbveränderung könnten Menschen in naher Zukunft in der Lage sein, auf diesem Prinzip basierende visuelle Sensoren zu entwickeln, die es künstlicher Intelligenz, einschließlich selbstfahrender Autos, ermöglichen, die Welt einfacher und schneller zu „sehen“.

Quellen:

[1]Schweikert, LE, Fitak, RR & Johnsen, S. De-novo-Transkriptomik enthüllt unterschiedliche Phototransduktionssignalkomponenten in der Netzhaut und Haut eines farbwechselnden Wirbeltiers, des Schweinsfischs (Lachnolaimus maximus). J Comp Physiol A 204, 475–485 (2018).

[2]Schweikert, LE, Bagge, LE, Naughton, LF et al. Dynamische Lichtfilterung über dermales Opsin als sensorisches Rückkopplungssystem beim Farbwechsel von Fischen. Nat Commun 14, 4642 (2023).