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Elektrische 3D-Wahrnehmung der Nilhechte

Bestimmte nachtaktive Fische können sich über ein elektrisches Sende- und Empfangssystem auch bei völliger Dunkelheit ein präzises räumliches Bild von ihrer Umgebung machen. Nach ihrem Vorbild entstand ein technischer Sensor.


Um sich in der Finsternis zurechtzufinden, haben nachtaktive Tiere entweder ein aufs höchste gesteigertes Sehvermögen, oder sie verwenden andere Sinnesarten. Fledermäuse zum Beispiel benutzen Ultraschall zur Echoortung. Über ein noch exotischeres Wahrnehmungssystem verfügen einige Spezies tropischer Fische: Sie orientieren sich mittels elektrischer Signale.

Dazu erzeugen sie mit einem speziellen Organ, das etwa bei Nilhechten (Bild) im Stil ihrer Schwanzflosse sitzt, unablässig kurze Spannungspulse von wenigen Volt und bauen so im Wasser ein elektrisches Feld auf. Außerdem verfügen die Fische über Elektrorezeptoren, die über ihre Oberfläche verteilt sind und schwache Spannungen im Wasser wahrnehmen. Diese Empfänger registrieren sowohl die Entladungen anderer Fische als auch die Signale des Senders. Gerät ein Gegenstand in das selbsterzeugte Feld, verändert er dessen Geometrie. Diese Änderungen werden von den Elektrorezeptoren registriert und zur Detektion genutzt.

Bereits 1958 zeigte Hans Lissmann von der Universität Cambridge, daß schwach elektrische Fische auf diese Weise Gegenstände wahrnehmen können, ohne sie zu sehen. Wie Untersuchungen durch einen von uns (von der Emde) und Horst Bleckmann Anfang der neunziger Jahre ergaben, vermögen sie dabei sogar belebte von unbelebten Objekten zu unterscheiden, indem sie deren unterschiedliche kapazitative Widerstände registrieren (siehe "Der siebte Sinn schwach elektrischer Fische", Spektrum der Wissenschaft, Januar 1993, S. 26). So können sie selbst bei völliger Dunkelheit ihre Beute – kleine Insektenlarven am Grund der Gewässer – zuverlässig ausmachen.

Für eine nächtliche Orientierung reicht es aber nicht aus, Gegenstände nur zu erkennen – sie müssen auch genau lokalisiert werden. Als nächstes stellte sich deshalb die Frage, ob elektrische Fische mit Hilfe der Elektro-Ortung auch die Entfernung eines Objektes messen können.

Gegenstände ändern die lokale Feldstärke an den Elektrorezeptoren. Die räumliche Verteilung dieser Änderungen bezeichnet man als "elektrisches Bild" eines Objektes, projiziert auf die Fischoberfläche. Eine wichtige Komponente dieses Bildes ist seine Größe, das heißt seine räumliche Ausdehnung auf der Fischhaut. Eine entscheidende Rolle spielt ferner der Betrag, um den sich die Feldstärke an verschiedenen Punkten innerhalb des elektrischen Bildes ändert.

Beide Größen hängen direkt von den Eigenschaften und der Entfernung eines Gegenstandes ab. So erzeugt ein weiter entferntes Objekt ein größeres elektrisches Bild als ein nahes (umgekehrt zur Situation beim Sehen, wo sich das Netzhautbild eines Objektes mit seiner Entfernung verkleinert). Doch reicht dies für die Abstandsmessung nicht aus. Anhand der Bildgröße allein läßt sich nämlich nicht entscheiden, ob ein größeres Objekt in der Nähe oder ein kleineres weiter weg ist. Aus diesem Grunde hielten es viele Forscher für prinzipiell unmöglich, daß elektrische Fische auch Entfernungen ermitteln könnten. Wir hingegen vermochten uns nicht vorzustellen, wie sich die nachtaktiven Tiere in völliger Finsternis ohne diese Fähigkeit orientieren sollten.

Also machten wir die Probe aufs Exempel. Dazu trainierten wir in unserem Labor an der Universität Bonn einzelne Nilhechte darauf, in einer abgedunkelten Apparatur die Entfernung von zwei Objekten zu vergleichen (siehe Zeichnung). Wenn sie zum weiter entfernten schwammen, erhielten sie zur Belohnung einen kleinen Wurm; sonst gingen sie leer aus.

Während der Lernphase machten wir es den Fischen leicht, indem wir zwei gleich große Metallwürfel verwendeten (Bild). Unter diesen Umständen genügte es, die Ausdehnung des elektrischen Bildes zu ermitteln; eine echte Entfernungsmessung war nicht erforderlich. Die Versuchstiere meisterten diese Aufgabe nach ungefähr vier Wochen.

Nun wurde es spannend: Würden die so trainierten Fische auch dann noch die Entfernungen korrekt beurteilen können, wenn die Würfel unterschiedlich groß waren? Selbst uns überraschte, wie eindeutig das Ergebnis ausfiel: Ohne Zögern schwammen die Tiere zielsicher zum ferneren Würfel – unabhängig davon, ob es der kleinere oder der größere war. Auch mit Kombinationen von anderen, unbekannten Objekten kamen sie problemlos zurecht. Damit war unsere Vermutung eindrucksvoll bewiesen: Elektrische Fische sind mit ihrem speziellen Sinn zu einer dreidimensionalen Tiefenwahrnehmung in der Lage, wie wir Menschen sie durch das Stereosehen mit unseren beiden Augen erreichen.



Wie ein Fisch Entfernungen mißt




Wie aber funktioniert diese Entfernungsmessung? Zur Klärung dieser Frage wollten wir die auf die Fischhaut projizierten elektrischen Bilder diverser Gegenstände in verschiedenen Entfernungen direkt vermessen. Allerdings fehlten uns dafür in Bonn die technischen Voraussetzungen. In dieser Situation bot uns Kirsty Grant von der französischen Forschungsorganisation CNRS in Gif-sur-Yvette ihre Unterstützung an. Bei ihr arbeiteten auch die Biomathematiker Ruben Budelli und Leonel Gomez aus Uruguay, die sich schon länger mit Computersimulationen elektrischer Felder beschäftigten. Zwei Wochen später fanden wir uns alle in Grants Labor ein, um die beabsichtigten Versuche durchzuführen.

Neben einem medikamentös ruhiggestellten Fisch brachten wir einen Gegenstand in einer bestimmten Entfernung an. Dann führten wir ein kleines Elektrodenpaar seitlich an dem Tier entlang, um das elektrische Feld systematisch zu vermessen. Nacheinander ermittelten wir so die elektrischen Bilder der verschiedensten Gegenstände in den unterschiedlichsten Entfernungen. Durch Vergleich der Ergebnisse hofften wir, den Parameter ausfindig zu machen, den die Fische für die Abstandsmessung verwenden könnten.

Wir fanden ihn schließlich in einer Kombination zweier physikalischer Größen, die für jede Entfernung einen eindeutigen Wert liefert, unabhängig davon, welches Objekt sich neben dem Fisch befindet: das Verhältnis von der "Flankensteilheit" des elektrischen Bildes zu seiner maximalen Amplitude. Die Flankensteilheit gibt an, wie schnell die Signalamplitude am Rand des Bildes ansteigt. Je steiler dieser Anstieg, desto schärfer erscheint das Bild auf der Fischoberfläche. Die Bildschärfe nimmt mit der Entfernung eines Gegenstandes vom Fisch ab. Das Verhältnis von "Unschärfe" zur größten "Helligkeit" des Bildes hängt nur von der Entfernung des Objektes ab und nicht von dessen Material oder Größe.

Aber können die Fische diese Unschärferelation auch wirklich nutzen? Auf der Suche nach der Antwort kam uns der Zufall zu Hilfe. Beim Ausmessen der elektrischen Bilder war uns aufgefallen, daß hochpräzise Metallkugeln, die unsere Feinmechanikwerkstatt in Bonn angefertigt hatte, immer etwas kleinere Unschärfewerte ergaben als andere Objekte: Sie verhielten sich im elektrischen Feld wie Gegenstände, die um 1,5 Zentimeter weiter entfernt waren. Wenn die Fische also wirklich die Unschärferelation zur Abstandsmessung nutzen würden, müßten ihnen diese Kugeln im Vergleich zu allen anderen Objekten als etwa 1,5 Zentimeter weiter weg erscheinen.

Zurück in Bonn, ließen wir unsere Versuchstiere deshalb die Entfernung einer Metallkugel von der eines Würfels unterscheiden. Tatsächlich schwammen sie auch dann zur Kugel statt zum Würfel, wenn sich diese um bis zu 1,5 Zentimeter näher bei ihnen befand. Sie erlagen somit einer elektrischen Sinnestäuschung – ähnlich den bekannten optischen Täuschungen beim Menschen. Dies lieferte den klaren Beweis, daß die Fische die Unschärferelation der elektrischen Bilder nutzen, um die Entfernung von Gegenständen zu bestimmen.

Diese Methode der räumlichen Wahrnehmung ist nicht nur im Tierreich, sondern auch in der Technik einmalig. Läßt sie sich vielleicht praktisch verwerten? Tatsächlich haben wir nach dem Vorbild der elektrischen Fische zwei technische Sensorsysteme entwickelt und patentieren lassen. Sie können nicht nur Objekte lokalisieren und ihre Entfernung in Sekundenschnelle hochgenau berechnen, sondern anhand des elektrischen Widerstands der Gegenstände auch Informationen über deren Material liefern. Insbesondere vermag unser Sensor belebte von unbelebten Objekten zu unterscheiden.

Die Einsatzmöglichkeiten solcher "künstlichen elektrischen Fische" sind vielfältig. Zum Beispiel könnten unsere Sensoren selbst unter extremen Umweltbedingungen Unterwasserroboter durch unbekannte oder gar verschmutzte Gewässer leiten. Denkbar wäre auch, daß sie die Fertigung bestimmter Güter überwachen und die Produkte auf ihre genaue Abmessung oder minimale Materialfehler überprüfen.

So hat die Grundlagenforschung an kleinen Fischen, die nachts in tropischen Flüssen Afrikas auf die Jagd gehen, nicht nur hochinteressante biologische Erkenntnisse erbracht; sie könnte auch einen ganz handfesten praktischen Nutzen im Bereich der Hochtechnologie haben.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 1999, Seite 10
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
6 / 1999

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 6 / 1999

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