Die Augen der Wirbeltiere sind ein wahres Wunder der Evolution. Ihre flexible Linse, verschiedene Sorten von Sehsinneszellen in der Netzhaut und eine raffinierte Verschaltung der Signale ermöglichen es, Farben, Formen und Strukturen selbst bei schwierigen Lichtverhältnissen zu erkennen. Einige Säugetiere können selbst UV- oder Infrarotlicht sehen, andere verfügen über eine besonders gute Nachtsicht oder Sehschärfe. Fast allen Wirbeltieren gemeinsam sind dabei zwei Grundtypen von Sehsinneszellen. „Seit mehr als 150 Jahren erklären uns Lehrbücher, dass das Auge der meisten Wirbeltiere aus Zapfen und Stäbchen besteht“, sagt Seniorautor Fabio Cortesi von der University of Queensland in Brisbane. Die Stäbchen enthalten besonders viele, dicht gepackte Sehpigmente und sind besonders lichtempfindlich. Die Zapfen sind dagegen an helle Bedingungen angepasst und sorgen bei uns Menschen beispielsweise für das Farbensehen.
Erst Zapfen, dann Stäbchen – normalerweise
Welche Sehsinneszellen in der Netzhaut eines Tieres dominieren, hängt von den Lichtverhältnissen in ihrem Lebensraum ab: Tagaktive Tiere haben meist besonders viele Zapfen in ihrer Netzhaut, nachtaktive Tiere dagegen mehr Stäbchen. „Ein Extrem sind in dieser Hinsicht Spezies mit reinen Stäbchen-Retinas, dazu gehören einige nachtaktive Reptilien und viele Tiefseefische“, erklären Erstautorin Lily Fogg von der University of Queensland und ihre Kollegen. Aber trotz dieser Unterschiede folgt die Entwicklung der Augen und Netzhaut immer dem gleichen Schema – so jedenfalls die gängige Annahme: „Wirbeltiere beginnen ihr Leben mit einer von Zapfen dominierten Netzhaut, die Stäbchen entwickeln sich dagegen erst später im Lebensverlauf“, so die Biologen. „Diese ‚Zapfen zuerst‘ Abfolge der Netzhautentwicklung passt gut zur Ökologie der Landwirbeltiere und auch der meisten Meeresfische, die anfangs in den hellen oberen Zonen des Meeres leben.“
Allerdings gilt dies nicht für viele Tiefseefische, die auch als Larven in dunkleren Meeresschichten leben. Oft beginnen diese Fischarten ihre Entwicklung in der Dämmerungszone des Ozeans, bevor sie dann als Adulte in die dunklen Tiefen umziehen. „Wir wissen, dass diese Tiefseefische dann dort ihren Sehsinn optimieren, um auch im Dunkeln sehen zu können“, sagt Cortesi. „Wir wollten daher untersuchen, wie sich der Sehsinn in den Jugendstadien dieser Tiefseefische entwickelt, bevor sie in eines der dunkelsten und größten Habitate der Erde abtauchen.“ Dafür untersuchten die Forschenden die Augenentwicklung von drei Tiefseefischarten vom Schlüpfen der Larven bis zum ausgewachsenen Tier: dem Laternenfisch Benthosema pterotum, dem Lachshering (Maurolicus mucronatus) und dem zu den Maulstachlern gehörenden Tiefseefisch Vinciguerria mabahiss. Die Jugendstadien aller drei Fischarten kommen in der Dämmerungszone des Roten Meeres in Wassertiefen zwischen 20 und 200 Metern vor. Nur der Lachshering bleibt jedoch später in dieser halbdunklen Zone, die andern beiden wechseln in die stockdunkle Tiefsee.
Tiefsee-Fischlarven mit Hybrid-Sehsinneszellen
Als die Biologen die Augen dieser Fischarten in verschiedenen Lebensstadien untersuchten, entdeckten sie Erstaunliches: „In der Netzhaut aller drei Arten dominierten von den frühesten Lebensstadien an morphologisch den Stäbchen entsprechende Photorezeptoren“, berichten Fogg und ihre Kollegen. Anders als für Wirbeltiere eigentlich typisch beginnen diese Fische ihr Leben nicht mit Zapfen in ihrer Netzhaut. „Diese drei Tiefseefische weichen demnach von dem gängigen Zapfen-zu-Stäbchen-Entwicklungspfad der anderen Vertebraten ab“, erklären die Forschenden. Noch ungewöhnlicher ist jedoch, was in den äußerlich Stäbchen-ähnlichen Lichtsinneszellen dieser Fischlarven geschieht. Denn Analysen der Genaktivität enthüllten, dass in diesen Sehzellen zahlreiche Gene abgelesen werden, die eigentlich nur in Zapfen aktiv sind. Diese drei Fischarten besitzen demnach als Larven einen einzigartigen Mischtyp der beiden Photorezeptoren. „Diese Hybridzellen kombinieren die molekulare Maschinerie und Gene der Zapfen mit der Form und Ausstattung der Stäbchen“, sagt Cortesi.
Damit durchbrechen diese Tiefseefische nicht nur die normale Abfolge der Sehsinneszell-Entwicklung, sie haben auch eine ganz eigene Mischform der Photorezeptoren entwickelt. Die Biologen vermuten, dass diese Fischlarven sich so an die dämmrigen Lichtverhältnisse ihres Jugendhabitats angepasst haben. „Diese Photorezeptoren optimieren das Sehen unter schummrigen und dämmrigen Bedingungen“, erklärt Fogg. Dazu passt, dass der Lachshering diese Mischform seiner Sehsinneszellen sogar bis in das Erwachsenenleben behält, denn er hält sich auch später noch in der Dämmerungszone auf. Die andern beiden Tiefseefische wandern als Adulte in die dunklen Zonen der Tiefsee und wandeln parallel dazu ihre Hybrid-Rezeptoren in normale Stäbchen um.
Quelle: Lily Fogg University of Queensland, Brisbane) et al., Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adx2596
