Augenfächer als Stoffwechselportal: Wie Vögel ihre Netzhaut mit Energie versorgen

Die inneren Schichten der Netzhaut von Vögeln werden durch anaerobe Stoffwechselprozesse mit Energie versorgt. Wie sie trotz dauerhaften Sauerstoffmangels funktionieren, berichtet ein internationales Forschungsteam.

In einer in der Fachzeitschrift „Nature“ publizierten Studie liefert ein Wissenschaftsteam, darunter Prof. Henrik Mouritsen und Prof. Karin Dedek von der Universität Oldenburg, eine Erklärung für ein biologisches Paradoxon. Die Forscher zeigen, dass die inneren Schichten der Netzhaut von Vögeln trotz permanenten Sauerstoffmangels funktionieren. Das Gewebe wird stattdessen durch anaerobe Stoffwechselprozesse mit Energie versorgt. Die Studie widerlegt eine seit dem 17. Jahrhundert bestehende Annahme über die Funktion einer mysteriösen Struktur im Vogelauge.

Wie wird die Netzhaut von Vögeln mit Energie versorgt?

Das Team unter Leitung von Prof. Christian Damsgaard und Prof. Jens Randel Nyengaard von der Universität Aarhus in Dänemark stellte sich die Frage, wie die Netzhaut von Vögeln mit Energie versorgt wird, obwohl es dort keine Blutgefäße gibt. „Die Netzhaut ist ein Gewebe aus Nervenzellen, das einen hohen Energieverbrauch hat, sie ist sozusagen eine hochspezialisierte Erweiterung des Gehirns“, erläutert Mouritsen. Der Oldenburger Neurowissenschaftler war daran beteiligt, die Idee für die Studie zu entwickeln.

Für gewöhnlich wird Nervengewebe durch ein dichtes Netz aus winzigen Blutgefäßen mit Sauerstoff versorgt. Die Netzhaut von Vögeln bildet jedoch eine auffällige Ausnahme – dort gibt es keine Blutgefäße. Das erhöht vermutlich die Sehschärfe. Denn die Blutgefäße lenken das Licht auf seinem Weg zu den Sinneszellen ab. Diese Streuung wird bei Vögeln vermutlich reduziert. Wie deren Netzhaut ohne Blutversorgung überleben kann, war jedoch bislang unklar.

„Unser Ausgangspunkt war eigentlich ganz einfach“, so Erstautor Damsgaard. „Nach allem was wir über Physiologie wissen, sollte dieses Gewebe nicht funktionsfähig sein.“ Die Suche nach der Lösung dieses Rätsels war alles andere als simpel und dauerte insgesamt acht Jahre.

Permanenter Sauerstoffmangel in der Netzhaut

Jahrhundertelang gab es eine vorherrschende Theorie dafür, wie Sauerstoff in die Netzhaut gelangt. Demnach ist dafür eine kammartige, stark durchblutete Struktur im Glaskörper des Vogelauges verantwortlich – der Augenfächer (Pecten oculi). Obwohl seit dem 17. Jahrhundert bekannt, blieb seine genaue Funktion spekulativ.

Ein Grund dafür: Niemand hatte bislang den Sauerstoffgehalt in der Vogelretina unter normalen physiologischen Bedingungen untersucht. „Direkte Messungen sind technisch extrem schwierig“, erklärt Nyengaard. 2020 gelang es dem Forschungsteam, entsprechende Untersuchungen in Zusammenarbeiten mit Expertinnen für Tieranästhesie der Universität Aarhus durchzuführen.

Die Ergebnisse überraschten das Team: Der Augenfächer stellt demnach keinen Sauerstoff für die Netzhaut zur Verfügung. Stattdessen stellte sich heraus, dass sich die inneren Schichten der Netzhaut in einem Zustand permanenten Sauerstoffmangels befinden.

Anaerobe Glykolyse liefert Energie für die inneren Schichten der Retina

Dies warf eine weitere Frage auf: Wie kann die Netzhaut genug Energie produzieren, um funktionieren zu können? Um das herauszufinden, kombinierten die Wissenschaftler Methoden aus unterschiedlichen Forschungsfeldern. Unter anderem verwendeten die räumliche Transkriptomik. Das ist ein Verfahren, um die räumliche Aktivität von tausenden Genen direkt im Netzhautgewebe zu kartieren. Auf diese Weise fanden sie heraus, an welchen Stellen des Gewebes spezifische Stoffwechselpfade aktiv waren.

Die Daten enthüllten ein klares Muster: Gene, die mit der anaeroben Glykolyse zu tun haben, waren in den mit Sauerstoff unterversorgten inneren Schichten der Retina sehr aktiv. Diese Erkenntnis stellte die Forscher erneut vor ein Rätsel. Denn die Anaerobe Glykolyse erzeugt pro Zuckermolekül nur ein Fünfzehntel der Energie, die sauerstoffbasierter Stoffwechsel liefert. „Wie kann eins der energiehungrigsten Gewebe im Vogelkörper mit so einem ineffizienten Prozess klarkommen?“, fragte sich Nyengaard.

Augenfächer agiert als Stoffwechselportal

Bildgebende Studien mit radioaktiv markierten Glukosemolekülen zeigten, dass die Vogelretina sehr viel mehr Zucker aufnimmt als der Rest des Gehirns. Daraufhin schauten sich die Forscher den rätselhaften Augenfächer noch einmal genauer an. Das Team fand heraus, dass in dieser Struktur vor allem Gene aktiv sind, die die Herstellung von Enzymen zum Transport von Glukose und Laktat steuern. Statt Sauerstoff bereitzustellen, agiert der Augenfächer als Stoffwechselportal. Er transportiert Glukose in die Netzhaut und befördert Laktat über den Augenfächer zurück in den Blutkreislauf.

Die Oldenburger Neurowissenschaftler Dedek und Mouritsen zeigten, dass die Müller-Zellen, innerhalb der Retina dafür sorgen, dass Glukose zu den Nervenzellen gelangt und Laktat abtransportiert wird. Die beiden Forscher wiesen mithilfe von Antikörpern nach, dass in diesen Zellen die Enzyme zum Transport von Laktat und Glukose vorhanden sind. Sie entwickelten zudem ein Modell dafür, wie Laktat und Glukose zwischen dem Augenfächer, dem Glaskörper und den Müller-Zellen ausgetauscht werden, um in den Nervenzellen der Netzhaut eine hochwirksame anaerobe Glykolyse zu ermöglichen.

„Der Augenfächer ist ein Transportsystem, um Treibstoff zu beschaffen und Abfallprodukte zu entfernen“, betont Nyengaard. Die Funktion der seltsamen Struktur im Vogelauge wurde demnach über Jahrhunderte fehlinterpretiert. Evolutionsbiologische Untersuchungen des Teams deuten zudem darauf hin, dass dieses besondere Merkmal bereits in der Dinosauriergruppe auftrat, aus der später die modernen Vögel hervorgingen.

Auch für die Medizin interessant

Auch wenn die aktuelle Studie keinen direkten Anwendungsbezug hat, gehen die Autoren davon aus, dass die Ergebnisse auch für die Medizin interessant sein könnten. „Bei Leiden wie einem Schlaganfall wird menschliches Gewebe in Mitleidenschaft gezogen, weil die Sauerstoffzufuhr reduziert ist und sich dort dann Abfallprodukte des Stoffwechsels anreichern“, erklärt Nyengaard. „In der Netzhaut von Vögeln sehen wir ein System, das mit Sauerstoffmangel auf eine völlig neue Art fertig wird.“ Das Team hofft, dass diese Erkenntnis dazu beitragen kann, neu über Krankheiten nachzudenken, bei denen Sauerstoffmangel eine Rolle spielt.