Der Fangschreckenkrebs besitzt Augen, deren Vielfalt selbst unter Meerestieren auffällt. Eine Untersuchung von 17 Sehpigmenten legt nun ungewöhnliche Eigenschaften dieser Sinnesorgane offen. An der Arbeit waren auch Forscher aus Berlin beteiligt. Die Entdeckung erklärt einen Teil der besonderen Lichtverarbeitung, während eine verbreitete Vorstellung vom Farbsehen der Tiere weiterhin zu kurz greift.
Zwischen Steinen und Seegras muss ein Fangschreckenkrebs zahlreiche Dinge auseinanderhalten: mögliche Beute, einen Rivalen, den Eingang zum eigenen Versteck und Bewegungen im umgebenden Wasser. Seine gestielten Facettenaugen fallen schon von außen auf, weil ein auffälliges Mittelband ihre Oberfläche unterteilt. Sie sind keine kleinen Versionen menschlicher Augen, sondern bestehen aus vielen optischen Einheiten, die unterschiedliche Informationen aus der Umgebung aufnehmen. Besonders intensiv untersucht wurde die karibische Art Neogonodactylus oerstedii. Sie lebt in flachen Meeresgebieten und nutzt Hohlräume im Untergrund als Verstecke. Die Gestalt eines vertrauten Ortes kann für das Tier ebenso wichtig sein wie dessen Farbe. Gerade diese Vielfalt der Aufgaben macht das Auge interessant: Ein Sinnesorgan muss nicht möglichst viele Einzelheiten gleichwertig abbilden, sondern diejenigen Signale erfassen, die dem Tier bei seinen alltäglichen Entscheidungen helfen. Welche Eigenschaften der Lichtempfänger dabei tatsächlich entscheidend sind, lässt sich ihrem äußeren Aussehen allerdings nicht ablesen.
Beim Menschen beruht das normale Farbsehen auf dem Zusammenspiel dreier Zapfentypen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten. Beim Fangschreckenkrebs ist schon die Bestandsaufnahme komplizierter. Frühere Untersuchungen der karibischen Art fanden im Auge 33 unterschiedliche Abschriften von Opsin-Genen. Solche Abschriften zeigen, welche Bauanleitungen Zellen nutzen, sagen aber noch nicht genau, welche Lichtwellen ein fertiges Protein besonders gut aufnimmt. Zudem kann eine einzelne Gruppe von Sehzellen mehrere Opsine zugleich bilden. Die Zahl der Proteine, die Zahl unterschiedlicher Sehzelltypen und die Zahl unterscheidbarer Farben sind deshalb drei verschiedene Größen. Ein Sehpigment besteht aus einem Opsin und einem daran gebundenen lichtempfindlichen Bestandteil. Dieser heißt Retinal und entsteht aus Vitamin A. Erst das Zusammenspiel beider Teile bestimmt wesentliche Eigenschaften des Lichtempfängers. Um aus den vielen genetischen Bauanleitungen eine Erklärung für das Sehen zu gewinnen, müssen Forscher die fertigen Pigmente daher direkt prüfen und ihre Reaktionen miteinander vergleichen.
Die Untersuchung der 17 Sehpigmente in Science Advances zeigt, dass einige dieser Lichtempfänger zwischen zwei stabilen Zuständen wechseln können. Zwei reagieren auf rotes Licht und lassen sich durch blaues Licht zurückschalten. Bei zwei weiteren verläuft die Umschaltung zwischen einer Aktivierung durch Blau und einer Deaktivierung durch Orange. Die Farbe des einfallenden Lichts bestimmt somit nicht allein die Stärke eines Signals, sondern kann auch den Zustand des betreffenden Moleküls ändern. Für diese Eigenschaft verwenden Biologen den Begriff Bistabilität. Daneben fanden die Forscher zahlreiche Pigmente, die bevorzugt grünes Licht aufnehmen, und drei mit einer Empfindlichkeit jenseits von 600 Nanometern. Gemeint ist langwelliges rotes Licht, keine Wahrnehmung von Körperwärme. Der Fangschreckenkrebs liefert damit ein Beispiel dafür, dass sich verwandte Lichtempfänger funktionell deutlich unterscheiden können. Welche Aufgaben jeder einzelne davon im lebenden Tier erfüllt, wurde durch die molekularen Versuche jedoch noch nicht abschließend geklärt.
Entscheidend für die Untersuchung war die Möglichkeit, die einzelnen Pigmente getrennt zu produzieren und zu messen. In einem vollständigen Auge würden ihre Reaktionen, die Wirkung optischer Filter und die anschließende Verarbeitung in Nervenzellen zusammenkommen. Die Forscher erfassten deshalb unter anderem Absorptionsspektren und lichtabhängige Antworten von Zellsystemen mit den jeweiligen Proteinen. Ein Spektrum beschreibt, wie stark eine Probe auf verschiedene Wellenlängen reagiert. Für vergleichbare Messungen muss berücksichtigt werden, wie viel Licht auf die Probe trifft: Ein kräftigeres Signal kann sonst schlicht von einer stärkeren Beleuchtung stammen. Die veröffentlichten Messdaten dokumentieren dafür auch Versuchsreihen mit gleichem Photonenfluss. Weitere Tests prüften, wie die Pigmente an verschiedene G-Proteine ankoppeln, die Signale im Zellinneren weitergeben. Solche getrennten Messungen machen die Beiträge einzelner Bestandteile zugänglich. Sie ersetzen jedoch keinen Verhaltenstest, bei dem ein Fangschreckenkrebs zwischen zwei Farben oder Objekten wählen muss. Molekulare Empfindlichkeit und tatsächlich genutzte Wahrnehmung bleiben unterschiedliche Ebenen derselben Frage.
Die besonderen Augen arbeiten außerdem mit Filtern, die bestimmte Anteile des einfallenden Lichts zurückhalten. Aus früheren Untersuchungen ist bekannt, dass dabei sowohl die Anordnung der Sehzellen als auch zusätzliche Farbstoffe eine Rolle spielen. Liegen lichtempfindliche Schichten hintereinander, erreicht die tiefer gelegenen Bereiche bereits ein verändertes Spektrum. Ein Filter erzeugt keine neue Wellenlänge. Er verändert vielmehr, welche Anteile des vorhandenen Lichts einen Empfänger erreichen. Dadurch kann eine Sehzelle mit demselben Pigment in einem anderen optischen Umfeld auf andere Anteile des einfallenden Lichts reagieren. Beim Fangschreckenkrebs wurden solche Lösungen auch für die Wahrnehmung ultravioletter Strahlung beschrieben. Dort nutzen die Augen Substanzen, die bei anderen Organismen als Schutz vor UV-Strahlung dienen. Der Vergleich verdeutlicht, warum eine Liste von Sehpigmenten allein nicht genügt: Entscheidend ist das gesamte optische System vor und in den Sinneszellen. Die Eigenschaften isolierter Proteine müssen deshalb mit dem tatsächlichen Aufbau des Auges zusammengeführt werden, bevor sich dessen Fähigkeiten zuverlässig erklären lassen.
Dass der Fangschreckenkrebs besonders viele verschiedene Lichtempfänger besitzt, führt leicht zu einer verlockenden Schlussfolgerung: Er müsse Farben wesentlich genauer unterscheiden als ein Mensch. Frühere Verhaltensexperimente mit Fangschreckenkrebsen widersprachen jedoch genau dieser einfachen Rechnung. Obwohl die untersuchten Tiere zahlreiche Farbkanäle besaßen, schnitten sie bei der Unterscheidung eng benachbarter Wellenlängen überraschend schwach ab. Die Forscher schlugen deshalb vor, dass diese Tiere Farben auf andere Weise erkennen, möglicherweise durch das zeitliche Muster von Signalen beim Abtasten einer Szene mit bewegten Augen. Das wäre eine andere Art der Informationsverarbeitung als das feine Vergleichen überlappender Farbkanäle. Aus einer großen Ausstattung folgt somit keine allgemeine Überlegenheit. Ein breiter erfasster Spektralbereich und die feine Trennung benachbarter Farbtöne sind unterschiedliche Eigenschaften, die bei verschiedenen Sehaufgaben jeweils von Bedeutung sein können. Für die neuen Pigmentbefunde bedeutet das: Sie erweitern das Wissen über die Lichtempfänger, belegen aber weder eine bestimmte Anzahl wahrgenommener Farben noch eine durchgehend feinere Farbauflösung.
Ein weiterer früherer Versuch zeigt, wie wichtig die konkrete Aufgabe ist. Forscher trainierten Neogonodactylus oerstedii darauf, ein Ziel anhand einer bestimmten Kombination von Form und Farbe zu erkennen. Anschließend brachten sie beide Merkmale in Konflikt: Die gelernte Form gehörte nun zu einer anderen Farbe, während die vertraute Farbe an einer anderen Form erschien. Die Tiere entschieden sich eher für die bekannte Form. Daraus folgt nicht, dass Farbe für sie bedeutungslos wäre. Es zeigt vielmehr, dass der Fangschreckenkrebs bei dieser Art der Wiedererkennung die Kontur stärker gewichtete. Ein Eingang zum Versteck, ein Hindernis oder ein anderer Organismus besitzt schließlich mehrere erkennbare Eigenschaften gleichzeitig. Welche davon den Ausschlag gibt, hängt von der jeweiligen Entscheidung ab. Ein überzeugendes Gesamtbild des Sehvermögens muss deshalb Ergebnisse aus unterschiedlichen Aufgaben verbinden. Ein einzelner Farbtest kann ebenso wenig sämtliche Fähigkeiten eines Auges beschreiben wie eine Untersuchung seiner Proteine.
Zu den auffälligen Merkmalen eines Fangschreckenkrebses gehören seine beweglichen Augen. Frühere Versuche mit zwei anderen Arten zeigten, dass Drehbewegungen dabei helfen können, die Polarisation von Licht auszuwerten. Damit ist die bevorzugte Schwingungsrichtung der Lichtwellen gemeint, eine Information, die sich von ihrer Wellenlänge und damit von der Farbe unterscheidet. Die untersuchten Tiere richteten bestimmte Lichtempfänger durch die Rotation ihrer Augen passend zu einem polarisierten Reiz aus. So verstärkten sie den wahrnehmbaren Unterschied zwischen einem Ziel und seinem Hintergrund. Dieses Ergebnis darf nicht automatisch als neue Eigenschaft der nun untersuchten Art ausgegeben werden. Es zeigt aber, welche zusätzlichen Funktionen innerhalb der Tiergruppe bereits experimentell nachgewiesen sind. Die Augen sind bewegliche Aufnahmeorgane, deren Stellung beeinflussen kann, welche Informationen besonders deutlich ankommen. Wer nur Pigmente zählt, übersieht daher neben den optischen Filtern auch die aktive Bewegung und die spätere Auswertung der Signale. Die ungewöhnliche Konstruktion verteilt mehrere Aufgaben auf unterschiedliche Bestandteile.
Über die Sinnesbiologie hinaus sieht das beteiligte GIGA-Institut der Universität Lüttich einen möglichen Nutzen für die Optogenetik. In diesem Forschungsgebiet steuern Wissenschaftler Vorgänge in Zellen mit lichtempfindlichen Proteinen. Ein Empfänger, der sich mit einer Farbe aktivieren und mit einer anderen wieder abschalten lässt, könnte dafür interessant sein. Die untersuchten Pigmente gehören zu Rezeptoren, die über G-Proteine Signale weiterreichen. Damit eröffnen sich andere Möglichkeiten als bei lichtgesteuerten Kanälen, die unmittelbar den Transport geladener Teilchen durch eine Zellmembran beeinflussen. Von einer fertigen Anwendung ist die Arbeit noch entfernt. Unter anderem müsste die Signalübertragung gezielter auf bestimmte Prozesse ausgerichtet werden. Ebenso offen bleibt, wie ein Fangschreckenkrebs die verschiedenen Empfänger im Alltag kombiniert. Der nächste Erkenntnisschritt verbindet daher zwei Richtungen: präzisere Werkzeuge für kontrollierte Zellversuche und Experimente am Tier, die zeigen, wann ein ungewöhnlicher Lichtempfänger tatsächlich einen Unterschied für sein Verhalten macht.
Science Advances, Spectral tuning and signaling of diverse and far red-sensitive rhodopsins in mantis shrimp eyes; doi:10.1126/sciadv.aef5666