Biolumineszente Fische: Bislang unbekannte Proteinkomponenten von Sehpigmenten entdeckt

Bislang unbekannte Proteinkomponenten von Sehpigmenten haben Biologen der Ruhr-Universität Bochum in biolumineszenten Blitzlichtfischen entdeckt. Die sogenannten Opsine ermöglichen es Tieren, Licht einer definierten Wellenlänge wahrzunehmen.

Wie die in der Zeitschrift „Plos One“ veröffentlichte Studie zeigt, sind die neu entdeckten Opsine der Blitzlichtfische darauf geeicht, Licht mit der Wellenlänge ihrer eigenen Biolumineszenz wahrzunehmen. Die Studie ergab auch, dass Licht dieser Wellenlänge das Verhalten der Tiere steuern kann. „Dabei handelt es sich um eine bislang unbekannte evolutionäre Anpassung“, folgern die Autoren. Sie nutzten eine Kombination aus elektrophysiologischen und genetischen Analysen mit Verhaltensexperimenten. Für den interdisziplinären Versuchsansatz kooperierten die Bochumer Molekularbiologin Dr. Melanie Mark, die Zoologen Dr. Jens Hellinger und Dr. Marcel Donner, der Physiologe und Optogenetiker Prof. Dr. Stefan Herlitze und Privatdozentin Dr. Minou Nowrousian und Prof. Dr. Ulrich Kück aus der Genetik.

Zwei Sehpigmente entdeckt
Obwohl Biolumineszenz, vor allem bei marinen Organismen, weit verbreitet ist, ist bislang unverstanden, welche physiologischen Prozesse sie auslöst und wie sie das Verhalten der Lebewesen beeinflusst. Der Blitzlichtfisch Anomalops katoptron jagt nachts im flachen Wasser von Korallenriffen nach Plankton und zieht sich tagsüber bis zu 400 Meter tief in Unterwasserhöhlen zurück. Unter seinen Augen besitzt er Leuchtorgane, mit denen er blaues Licht mit einer Wellenlänge von 490 Nanometern erzeugt und die er zur Futtersuche nutzt.
Das Team analysierte die genaue Zusammensetzung der Netzhaut von Blitzlichtfischen und fand dabei zwei Sehpigmente, deren Proteinsequenz ähnlich zu der des Rhodopsins von Säugetieren ist. Beide reagierten bevorzugt auf blaues Licht im Bereich von 485 bis 490 Nanometern – also genau in dem Bereich ihrer eigenen Lumineszenz.

Fische bei Fütterung konditioniert
Im nächsten Schritt analysierte die Gruppe, ob Anomalops katoptron sein Verhalten abhängig von blauem Licht anpassen kann. Sie konditionierten acht Blitzlichtfische, sodass diese nach einem Lichtreiz erwarteten, Futter zu bekommen. „Wir haben die Fische in Dunkelheit gehalten und zum Füttern eine Rotlicht-Taschenlampe angeschaltet“, erzählt Jens Hellinger. „Ursprünglich dachten wir, die Fische könnten dieses Licht gar nicht wahrnehmen.“ Zu ihrer Überraschung stellten die Forscher jedoch fest, dass sich die Tiere nach Einschalten des Lichts zur Futterstelle bewegten, noch bevor es tatsächlich Futter gab.

Diesem Phänomen ging die Gruppe genauer auf den Grund. Sie testeten, ob die Fische das konditionierte Verhalten bei Lichtreizen mit verschiedenen Wellenlängen zeigten. Dabei verwendeten sie eine viel schwächere Lichtintensität, als die Taschenlampe hatte, die sie zum Füttern genutzt hatten. Anomalops katoptron reagierte nur auf schwaches Blaulicht, aber nicht auf schwaches Rotlicht.

Angepasst an Sternenlicht und Lumineszenz
„Das Sehsystem der Blitzlichtfische scheint darauf angepasst zu sein, Sternenlicht und Licht mit der Wellenlänge der eigenen Biolumineszenz wahrzunehmen – und darauf basierend das eigene Verhalten ändern zu können“, resümiert Stefan Herlitze. „Das offenbart eine völlig neue Funktion der Biolumineszenz bei Fischen.“
Bei der Biolumineszenz wird durch einen chemischen Prozess frei werdende Energie als Licht abgegeben. Das Phänomen findet sich bei unterschiedlichsten Organismen, zum Beispiel bei Bakterien, Pilzen, Insekten oder auch Wirbeltieren. Die Biolumineszenz wird oft in besonderen Zellorganellen oder Leuchtorganen gebildet. Letztere finden sich zum Beispiel bei vielen Fischen der Tiefsee, bei denen symbiontische Bakterien die Lichtsignale erzeugen.

Förderung
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Arbeiten im Rahmen der Grants mit den Nummern MA5806/1-2 und MA5806/2-1 für Melanie Mark, und NO 407/7-1 für Minou Nowrousian sowie im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 1926 (Projektnummer He2471/18-1). Autor Marcel Donner erhielt außerdem eine Unterstützung der Hans-Böckler-Stiftung.

Originalpublikation:
Melanie D. Mark, Marcel Donner, Dennis Eickelbeck, Jennifer Stepien, Minou Nowrousian, Ulrich Kück, Frank Paris, Jens Hellinger, Stefan Herlitze: Visual tuning in the flashlight fish Anomalops katoptron to detect blue, bioluminescent light, in: PLOS ONE, 2018 DOI: 10.1371/journal.pone.0198765, http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0198765

Quelle:  Ruhr-Universität Bochum