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Lexikon der Physik: Sinnesleistungen von Lebewesen

Sinnesleistungen von Lebewesen, Phänomenbereich der Biophysik, in dem nahezu alle Energieformen genutzt werden. Sinnesleistungen liegen für ganz vertraute Lebewesen regelmäßig an der Grenze des physikalisch Machbaren (Alltagsphysik).

Die Energieformen der Sinnesleistungen von Lebewesen liefern die hier benutzte (und unten verfeinerte) Einteilung in mechanische, elektromagnetische, thermische und chemische Sinne; dazu kommen noch Wetterfühligkeit und der Zeitsinn, deren Grundlagen nur z.T. geklärt sind.

1. Die mechanischen Sinne reagieren auf rund zehn Reize (Mechanorezeption). Der akustische Sinn (Hören, Gehör), der wohl wichtigste mechanische Sinn überhaupt, überdeckt im Tierreich einen Frequenzbereich von unter 10 Hz (Delphine) bis mehreren 100 kHz (Fledermäuse). Daneben gibt es aber noch andere vibrationsempfindliche Organe: Die Schwimmblase von vielen Fischen z.B. ist näherungsweise ein Helmholtz-Resonator für den Empfang von Unterwasserschall; manche Arten können dessen Eigenfrequenz ν ˜ V-1 / 2 (V: Volumen) durch Gewebestränge abstimmen.

Die mechanischen Sinne sind sowohl in der Funktion als auch in der Evolution nicht unabhängig voneinander. Dies wird deutlich an dem Seitenlinienorgan der Fische (siehe Abb. 1), das der Wahrnehmung von Schwingungen und Strömungen dient. Es kann durch die Strömungsfelder um andere Tiere bis 20 cm Abstand aktiviert werden. Ein Beispiel für die außerordentliche Empfindlichkeit von Mechanorezeptoren zeigt Abb. 2.

2.1. Die optischen Sinne stellen die wichtigste Gruppe der elektromagnetischen Sinne dar. Der gesamte im Tierreich abgedeckte Wellenlängenbereich reicht von ca. 300 nm (Bienen) bis ca. 12 μm (Schlangen). Diese große Bandbreite und die Vielfalt der biologisch nötigen Funktionen beruhen auf z.T. sehr verschiedenen Bauformen des Auges.

Neben dem Auge gibt es noch weitere Lichtreaktionssysteme, das Pinealorgan (›Zirbeldrüse‹), bei niederen Wirbeltieren noch direkt lichtempfindlich, und der Phototropismus der Pflanzen, d.h. deren Hinwenden zum Licht. Er setzt schon bei 250 nm ein und beruht auf einem nicht völlig geklärten Rezeptormechanismus.

2.2 Elektrische und magnetische Sinne werden erst seit wenigen Jahrzehnten ernsthaft untersucht. Bei elektrischen Sinnen zeigt die größte bekannte Empfindlichkeit im Tierreich der Hai (siehe Abb. 1) mit 10 nV / cm; das reicht u.a. aus, um per induziertem Feld

im Erdmagnetfeld (B ≈ 3 · 10-4 T) Eigenbewegungen ab wenigen cm / s zu detektieren. Magnetische Sinne wurden bei Bakterien, Insekten, Vögeln und Fischen nachgewiesen. Der ›Zellkompaß‹ beruht meistens auf Magnetitkristalliten (Fe3O4), seltener auf Induktion (s.o.). Die Größe L der Kristalliten unterliegt engen physikalischen Schranken: für L ≤ 40 nm ist das magnetische Moment nicht gegen thermische Fluktuationen stabil, für L ≥ 100 nm bildet sich eine antiparallele Domänenstruktur der Weiss'schen Bezirke. In beiden Fällen ist die Wechselwirkung mir dem Erdfeld nicht stark genug für ein brauchbares Signal.

Magnetit-Rezeptoren wurden inzwischen in fast allen Lebewesen mit magnetischen Sinnen nachgewiesen (z.B. in Vogelschnäbeln, neuerdings auch im menschlichen Gehirn).

3. Thermische Sinne sind zu unterscheiden nach dem Energieübertragungsmechanismus (Wärmeleitung oder Wärmestrahlung; siehe auch elektromagnetische Sinne) und der Rezeptorverteilung (unspezifisch auf der Körperoberfläche oder spezifische Organe). Die unspezifischen Thermorezeptoren reagieren jeweils nur auf Temperaturunterschiede ±ΔT (›Kälte- und Wärmerezeptoren‹). Über ihre Funktionsweise ist noch wenig bekannt. Spezifische Organe zur Wahrnehmung von Wärmestrahlung gibt es bei vielen Schlangenarten. Abb. 3 zeigt, daß diese ›Grubenorgane‹ die Optik von Lochkameras haben und eine grobe Lokalisierung erlauben. Beeindruckend ist das beste im Tierreich bekannte Temperaturunterscheidungsvermögen von ΔT ≈ 3 mK (Klapperschlange).

4. Chemische Sinne sind Geschmack und Geruch. Die Primärreaktion wird heute allgemein durch ein Schlüssel-Schloß-Prinzip erklärt, dessen molekulare Details aber unverstanden sind, ebenso wie Codierung der tausende alleine vom Menschen unterschiedenen Gerüche.

Zusammenfassend ist noch festzuhalten, daß die sehr vielfältigen Sinnesleistungen von Lebewesen auch einige gemeinsame Grundgesetze kennen, so die Kontrastverstärkung durch das Prinzip der lateralen Inhibition, und das Stevens-Potenzgesetz für den Zusammenhang zwischen physikalischer und subjektiver Reizstärke. (optische Täuschungen und akustische Täuschungen, Psychophysik)



Sinnesleistungen von Lebewesen 1: Seitenlinienorgan und Elektorezeptoren (Lorentzinische Ampullen, Punkte) beim Hai.



Sinnesleistungen von Lebewesen 2: Mechanorezeption bei einer Haarsensille (Heimchen); am zellseitigen Ende genügen Auslenkungen S von wenigen Nanometern für eine nachweisbare Reaktion.



Sinnesleistungen von Lebewesen 3: Die Optik des Grubenorgans erlaubt nach dem Prinzip der Lochkamera eine Bestimmung der Position einer Strahlungsquelle: Die Öffnung der Grube beträgt ca. ein Drittel des Durchmessers der wärmeempfindlichen Membran. Es trifft daher nur ein kegelförmiger Ausschnitt einer Strahlungsquelle auf die Membran.

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Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Warwick, UK [RM1] (A) (23)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09; Essay Akustik)
Guenter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Maritha Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Dr. Christopher Monroe, Boulder, USA [CM] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33; Essay Alltagsphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Regensburg [NN] (A) (05)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06; Essay Analytische Mechanik)
Prof. Dr. Harry Paul, Berlin [HP] (A) (13)
Cand. Phys. Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
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Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
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Oliver Rattunde, Freiburg [OR2] (A) (16; Essay Clusterphysik)
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Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
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Hans-Jörg Rutsch, Heidelberg [HJR] (A) (29)
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Prof. Dr. Heinz-Georg Schuster, Kiel [HGS] (A, B) (11; Essay Chaos)
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Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
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Dipl.-Geophys. Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
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Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
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Prof. Dr. David Wineland, Boulder, USA [DW] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
Dr. Harald Wirth, Saint Genis-Pouilly, F [HW1] (A) (20)Steffen Wolf, Freiburg [SW] (A) (16)
Dr. Michael Zillgitt, Frankfurt [MZ] (A) (02)
Prof. Dr. Helmut Zimmermann, Jena [HZ] (A) (32)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)

Mitarbeiter Band IV

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Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin

Autoren (A) und Berater (B):

In eckigen Klammern steht das Autorenkürzel, die Zahl in der runden Klammer ist die Fachgebietsnummer; eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29)
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Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
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Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
Dr. Matthias Delbrück, Dossenheim [MD] (A) (12, 24, 29)
Karl Eberl, Stuttgart [KE] (A) (Essay Molekularstrahlepitaxie)
Dr. Dietrich Einzel, Garching [DE] (A) (20)
Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33; Essay Optische Erscheinungen der Atmosphäre)
Dr. Christian Eurich, Bremen [CE] (A) (Essay Neuronale Netze)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Harald Fuchs, Münster [HF] (A) (Essay Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
Prof. Dr. Gerd Graßhoff, Bern [GG] (A) (02)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Prof. Dr. Michael Grodzicki, Salzburg [MG1] (B) (01, 16)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Christoph Heinze, Hamburg [CH3] (A) (29)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Florian Herold, München [FH] (A) (20)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Georg Hoffmann, Gif-sur-Yvette, FR [GH1] (A) (29)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Dr. Catherine Journet, Stuttgart [CJ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen, [JK] (A) (04; Essay Numerische Methoden in der Physik)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15; Essay Quantengravitation)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Dr. Uwe Klemradt, München [UK1] (A) (20, Essay Phasenübergänge und kritische Phänomene)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Berndt Koslowski, Ulm [BK] (A) (Essay Ober- und Grenzflächenphysik)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Jens Kreisel, Grenoble [JK2] (A) (20)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
Volker Lauff, Magdeburg [VL] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Prof. Dr. Karl von Meyenn, München [KVM] (A) (02)
Dr. Rudi Michalak, Augsburg [RM1] (A) (23)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20; Essays Molekularstrahlepitaxie, Ober- und Grenzflächenphysik und Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Andrea Quintel, Stuttgart [AQ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15; Essay Quanteninformatik)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15; Essay Quantenmechanik und ihre Interpretationen)
Prof. Dr. Siegmar Roth, Stuttgart [SR] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Dr. Margit Sarstedt, Leuven, B [MS2] (A) (25)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
Prof. Dr. Paul Steinhardt, Princeton, USA [PS] (A) (Essay Quasikristalle und Quasi-Elementarzellen)
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Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
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Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
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Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
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Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23; Essay Organische Supraleiter)
Priv.-Doz. Dr. Jörg Zegenhagen, Stuttgart [JZ3] (A) (21; Essay Oberflächenrekonstruktionen)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)
Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
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Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
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Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
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Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
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Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
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Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
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Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Dr. Sascha Hilgenfeldt, Cambridge, USA (A) (Essay Sonolumineszenz)
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Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
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Prof. Dr. Jan Louis, Halle (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
Prof. Dr. Karl Otto Münnich, Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
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Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
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Prof. Dr. Stefan Theisen, München (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Dr. Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
Dr. Martin Werner, Hamburg [MW] (A) (29)
Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Dr. Stefan L. Wolff, München [SW1] (A) (02)
Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)
Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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