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Transparenz als Tarnung

Das offene Meer bietet keine Verstecke. Viele seiner Bewohner müssen sich deswegen tarnen. Sie tun es mit einem besonders raffinierten Trick: Transparenz. Doch die durchsichtigen und fast unwirklich zarten Geschöpfe sind nicht für jeden Feind unsichtbar.

Von dem kleinen Beiboot aus sehen wir ziemlich klein unser weißes Mutterschiff liegen. Sonst umgibt uns nichts als Himmel und Wasser. Ich nehme einen Atemzug aus meiner Tauchflasche und lasse mich über den Bootsrand gleiten. Das Wasser wirkt so klar, dass ich darin fast hundert Meter weit sehen kann. Meinen drei Tauchkollegen und mir kommt es so vor, als wären wir in dieser blauen Welt die einzigen Lebewesen weit und breit.

Je mehr wir in die Tiefe vordringen, desto mehr färbt sich unsere Umgebung in ein dunkles Kobaltblau. Fast komme ich mir verloren vor, mehrere hundert Kilometer fern vom nächsten Land, unter mir das über dreitausend Meter tiefe Meer, kein Riff in der Nähe oder wenigstens ein Schiffswrack. Aber diese offenen Ozeane bilden den größten Lebensraum der Erde: Und doch ist dies eine Welt ohne Konturen, in der die Zeit stillzustehen scheint. Wären da nicht die sachten Abstufungen und Wechsel von Farben und Licht, fehlte mir hier jede räumliche und zeitliche Orientierung. Wie hat sich die Tierwelt an diesen fast strukturlosen Lebensraum angepasst? Wie wurde sie damit fertig, dass es nirgends Verstecke gibt?

In 18 Meter Tiefe haken wir uns mit unseren Verbindungsschnüren an der Sicherheitsleine fest. Langsam gewöhnen sich meine Augen an das wenige Licht, und nun sehe ich: Wir sind nicht allein! Rund um uns her geistern Dutzende durchsichtige Wesen, als hätten wir uns in eine Menagerie aus gläsernen Tieren verirrt. Manche sind kleiner als mein Daumen, andere größer als ein Fußball. Ein paar Quallen sehe ich gleich. Andere der transparenten Geschöpfe erahne ich erst, als sie wenige Zentimeter vor meinen Augen langsam vorbeitreiben. Manche verrät nur der durchscheinende Mageninhalt. Einige dieser Kreaturen tragen wenigstens einen winzigen Farbfleck oder etwas an ihnen schimmert plötzlich im schwachen Licht auf. Wir haben Glasbehälter mitgebracht, um die exotischen Meeresbewohner unversehrt einzufangen und später auf dem Schiff genauer in Augenschein zu nehmen.

Fast alle diese Tiere bestehen überwiegend aus Gallertmasse, ein fast ideales Material für diese Umwelt. Dessen hoher Wassergehalt schützt sie in dem großen Druck ihrer Umgebung vor dem Zerquetschtwerden. Gleichzeitig verleiht diese Substanz ihnen gerade so viel Auftrieb, um im Wasser zu schweben. Außerdem enthält die Gallertmasse nur relativ wenige lebende Zellen, und sie ist leicht zu bilden. So können diese Meeresbewohner in kargen Zeiten mit sehr wenig Nahrung auskommen. Bei Nahrungsüberfluss hingegen wachsen sie unglaublich rasch und vermehren sich dann explosionsartig. Manche Arten erzeugen in einer einzigen Woche Milliarden ihresgleichen, die sich dann über riesige Gebiete ausbreiten.

Der Hauptvorteil, einen gallertigen Körper zu besitzen, ist aber vermutlich die Durchsichtigkeit im Wasser. Sonst wären diese Geschöpfe in der Evolution wahrscheinlich nicht so erfolgreich gewesen: In großer Vielfalt entstanden sie in den verschiedensten Tiergruppen. Bewohner des offenen Meeres können sich auf verschiedene Arten vor Feinden schützen: mit Waffen – etwa Zähnen oder Gift; durch schnelle Flucht, falls sie rasch schwimmen können; durch Winzigkeit; oder durch eine perfekte Tarnung. Und Transparenz ist eine besonders verblüffende Art, sich zu verstecken. Tatsächlich sind fast alle Meerestiere, die nicht rasch flüchten oder sich wehren können, mehr oder weniger glasklar. Erst in Tiefen, in die überhaupt kein Sonnenlicht mehr gelangt, leben so gut wie keine durchsichtigen Tiere mehr.

Gallertartige Geschöpfe sind besonders zart und fragil, somit auch extrem leicht verletzbar. Und viele von ihnen können sich nur träge, im Zeitlupentempo, bewegen. Sicherheit bietet manchen allein ihre Transparenz. Andere nutzen die Durchsichtigkeit auch noch anders zu ihrem Vorteil aus: für Täuschungsmanöver, um Beute zu fangen.

Wissenschaftlich ist Transparenz in der Tierwelt noch so gut wie gar nicht erforscht. Deswegen interessieren mich zunächst ganz grundsätzliche Fragen. Zum Beispiel möchte ich wissen, durch welche physiologischen Anpassungen die Durchsichtigkeit überhaupt zu Stande kommt und wie sie sich physikalisch erklärt. Auch scheint der Grad der Durchsichtigkeit verschieden zu sein, und ich frage mich, welche Stufe an Transparenz Meerestiere maximal erreichen.

Die meisten dieser Fragen können wir nur an lebenden Tieren untersuchen. Durchsichtig erscheinen diese Organismen nämlich nur, solange sie sich in ihrem Element wohlfühlen. Sobald sie sterben, wird ihr Körper schnell milchig. Es ist jedoch alles andere als einfach, die Gallertwesen unversehrt einzufangen. Schon in einem Wassersog wie von der Schwanzflosse eines nah vorbeischwimmenden Fisches können die zarten Gebilde zerreißen. Darum müssen wir die Tiere sehr behutsam einzeln einsammeln beziehungsweise mit Tauchbooten einholen. Mittlerweile sind uns aber gute Fänge geglückt, und wir konnten die verschiedensten dieser Kreaturen im Labor unseres Forschungsschiffes genauer untersuchen.

Den Grad ihrer Durchsichtigkeit für sichtbares Licht messen wir mit einem Spektrometer ähnlich dem des Augenarztes. Ihre Transparenz, so stellte ich fest, unterscheidet sich viel stärker, als ich nach dem Augenschein geschätzt hatte. Der Körper einiger Tiere, die uns durchsichtig vorkamen, ließ nur 20 Prozent des Lichtes passieren, der anderer jedoch 90 Prozent.

Auch manch anderer Befund ließ uns staunen. Dass größere, dickere Kreaturen ihre vermehrte Körperfülle durch besondere Glasklarheit wettmachten, konnten wir dabei noch einsehen. Doch wieso waren Tiere, die unser Tauchboot 750 Meter tief aufgefischt hatte, teilweise genauso durchsichtig wie Bewohner der oberen Wasserschichten? Mussten die Lebewesen der lichteren Zonen sich nicht umso besser tarnen? Schließlich bestimmt der Kontrast, also der Helligkeitsunterschied zur Umgebung, wie gut ein Objekt zu sehen ist. Das Wasser zwischen dem Tier und dem Betrachter streut und absorbiert das vom Tier reflektierte Licht. Mit zunehmender Tiefe verschwindet der Kontrast in immer kürzerer Entfernung. Wo nicht mehr viel Licht hinkommt, sind Objekte schon auf Zentimeter, ja Millimeter Distanz praktisch außer Sichtweite. Bisher bleibt uns rätselhaft, warum Bewohner solcher Tiefen dennoch glasklar sind.

Viele andere Tiere, etwa Fische, aber auch viele Landbewohner, die wegen ihrer Form, Farbe oder dem Muster der Haut optisch mit ihrer Umgebung verschmelzen, verändern nur ihre Körperoberfläche. Weil zu einer Tarnung durch Transparenz auch das Körperinnere beitragen muss, brauchen durchsichtige Tiere ein Reihe weiterer höchst raffinierter Anpassungen. Gelegentlich liegt die Lösung klar vor Augen, zum Beispiel wenn eine solche Kreatur extrem flach gestaltet ist. Denn aus physikalischen Gründen verliert sich die Durchsichtigkeit mit zunehmender Dicke schnell. Nehmen wir eine transparente Schnecke (wie im Foto auf Seite 42): Dort, wo ihr Körper einen halben Zentimeter Dicke misst, dringt ein Drittel des Lichtes durch, an doppelt so dicken Stellen aber nur noch ein Neuntel. Völlig platt gewachsen zu sein hat den zusätzlichen Vorteil, von der Seite her optisch fast zu verschwinden.

Auch die kleinen Larven des atlantischen Aals, die im Sargasso-Meer auftauchen, machen sich diesen Effekt zu Nutze. Ein bis zwei Millimeter dick und über einen Zoll lang, mit einem winzigen Kopf, erinnern sie an durchscheinende lange schmale Blätter. Ein weiteres extremes Beispiel stellt die Tiergruppe der Venusgürtel dar. Diese Rippenquallen wirken wie ein langes breites Band (Bild Seite 46). Und von den münzgroßen, flachen Larven karibischer Langusten sieht man höchstens einen Schatten über den Sand huschen.

Einige der lebensnotwendigen Strukturen und Organe können allerdings physikalisch bedingt nicht transparent sein, wenn sie ihren Zweck erfüllen sollen. Das gilt vor allem für die Netzhaut des Auges, die notwendigerweise Licht auffangen muss und dafür Pigmente benötigt. Doch auch in dem Fall hat die Natur Auswege gefunden. Manche der Tiere tragen ihre Augen auf Stielen – also möglichst weit weg vom Körper. Andere lösen das Problem mit einer sehr kompakten Pigmentierung, die wenig Fläche einnimmt. Lichtleitende Strukturen lenken das Licht dorthin. Andere Tiere machen es gerade umgekehrt: Der Flohkrebs Cystosoma (Bild Seite 43) besitzt extrem blasse, dafür riesige Augen mit besonders dünn verteilten Pigmenten.

Auch der Magen lässt sich nicht leicht verbergen, oder vielmehr sein Inhalt, halbverdaute Tiere oder Pflanzen. Manchmal ist er lang und dünn wie eine Nadel und stellt sich dann stets senkrecht mit der spitzeren Seite nach unten, egal in welcher Position das Tier gerade schwimmt. Viele Räuber erkennen ihre Beute nämlich von unten gegen das Licht – in dem Fall wären sie getäuscht. Andere Tiere hüllen ihren Magen in reflektierendes Gewebe ein. Wegen der Spiegelung hebt er sich im Wasser dann nicht mehr von der Umgebung ab – weswegen ja auch viele Fische silbrig glitzernde Schuppen tragen.

Die Außenhaut reflektiert immer etwas Licht und könnte das Individuum unter Umständen verraten. Einige Tiere begegnen dem mit einer möglichst einfachen Körperform und dadurch kleinen Oberfläche, auf der das Licht wenig spielt. Seltener bilden Meeresbewohner, um nicht gesehen zu werden, mikroskopisch kleine konische Höcker aus (Bild Seite 46). Diese faszinierende Art der Tarnung beschrieb kürzlich Andrew Parker vom Australischen Museum in Sydney. Die Tiere nutzen aus, dass Licht sich in einem Material mit hoher Brechzahl langsamer fortpflanzt als in einem Stoff mit geringerer Brechzahl, demnach in Wasser langsamer als in Luft und in Gewebe normalerweise langsamer als in Wasser. Eine genoppte Oberfläche wirkt in dieser Hinsicht wie ein einheitliches Medium.

Dabei ergibt sich eine mittlere Brechzahl – in unserem Fall ein Mittelwert aus der des Wassers und der des Höckermaterials –, vorausgesetzt die einzelnen Noppen messen im Querschnitt weniger als die halbe Wellenlänge des darauf fallenden Lichts. Nur ist die Brechzahl an der Basis der Noppen natürlich höher als weiter außen, wo die Höcker schlanker sind. Deswegen nähert sich die Brechzahl nach innen zu mehr der vom Material der Außenhaut. Das Umgekehrte gilt für den äußeren Bereich. Die Brechzahl wechselt also nicht abrupt, sondern mit weichem Übergang. Das aber mindert die Lichtreflexion. In der Optik nutzen Hersteller von Hochleistungslinsen dieses Prinzip bereits. Angeblich funktionieren auch die so genannten Tarnkappenbomber ähnlich, die Radargeräten entgehen sollen.

Und wie macht sich das gesamte Tier unsichtbar? Mit geringer Reflexion allein ist dies nicht getan. Gewebe absorbiert und streut nun einmal Licht, und beides macht ein Objekt sichtbar. Da nur wenige organische Moleküle überhaupt Licht schlucken, steht der Unsichtbarkeit von Meerestieren vor allem die Streuung im Wege.

Im Innern von transparenten Tieren wird Licht vielfältig diffus gestreut, denn die einzelnen Lichtpartikel treffen überall auf unregelmäßige Gewebe mit verschiedener Brechzahl. Dann ändern sie, wenn sie nicht gerade senkrecht auftreffen, neben ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit auch ihre Richtung. Gallertartige Tiere bilden hierin trotz ihres hohen Wasseranteils keine Ausnahme. Diese Zusammenhänge sind phy-sikalisch sehr kompliziert. Über die Streuung von Licht in lebendem Gewebe mit seinen zahlreichen verschiedenartigen Strukturen und Einschlüssen wissen wir schon deswegen noch viel zu wenig.

Um überhaupt eine Grundlage zu schaffen, ging ich bei meinen Berechnungen von vereinfachten Modellen aus. Meine Ausgangsüberlegung war, dass es im Gewebe mehrere Komponenten unterschiedlichen Volumens gibt. Ich untersuchte, wie verschiedene Größen, Formen und Brechzahlen von eingeschlossenen Strukturen die Gesamtstreuung von Licht in einem Objekt beeinflussen. Mit solchen Fragen befassen sich letztlich auch Leute, die gut deckende Anstrichfarben entwickeln. Nur soll die Farbe das Licht nicht möglichst wenig, sondern möglichst gut streuen.

Am wichtigsten für die Stärke der Streuung, so fand ich heraus, sind Verteilung und Größe der Partikel. Benötigt zum Beispiel eine Zelle einen bestimmten Gehalt an Fett, soll sie aber Licht möglichst wenig streuen, gelingt dies am besten, wenn sich das Fett in vielen winzigen Tröpfchen möglichst gleichmäßig über die gesamte Zelle verteilt. Nicht viel schlechter ist das Ergebnis, wenn das Fett stattdessen in wenigen Riesentropfen konzentriert wird. Hingegen wäre es fatal, wenn die Tröpfchengröße ungefähr die Wellenlänge des durchtretenden Lichts aufwiese, es somit schluckte. Die Brechzahl des Fetts selbst ist dabei weniger wichtig, und die Form der Tröpfchen schon gar nicht. Dies gibt einen groben Eindruck davon, wie gut transparente Tiere an physikalische Gesetzmäßigkeiten angepasst sind.

Allerdings wird ein Körper nicht zwangsläufig durch Streuung im Innern sichtbar, nur weil sich die Brechzahlen dort vielfältig ändern. Physikalisch ist es möglich, dass das von den Strukturen gestreute Licht durch Interferenz praktisch verschluckt wird: Die gestreuten Lichtwellen müssen dann genau so phasenverschoben schwingen, dass sie sich gegenseitig auslöschen. Diese destruktive Interferenz tritt dann ein, wenn die unterschiedlich brechenden Strukturen feiner verteilt sind als eine halbe Lichtwellenlänge. Diesen Effekt benutzen viele durchsichtige biologische Gewebe.

Zum Beispiel ist unser Auge von einer festen Kapsel aus dicht gepackten Lagen von Kollagenfasern umschlossen. Diese Hülle ist nur vorn, an der Hornhaut, durchsichtig. Den größten Teil macht die undurchsichtige weiße Lederhaut aus. Die Hornhautfasern sind nämlich kleiner und dichter gepackt als die der Lederhaut, und darum sind die räumlichen Bereiche unterschiedlicher Brechzahl kleiner als eine halbe Wellenlänge (siehe Kasten oben): Das gestreute Licht wird weggeschluckt. Ohne diesen physikalischen Vorgang wäre die Hornhaut trüb, wie es bei bestimmten Krankheiten vorkommt.

Transparenz gehört zu den merkwürdigsten Anpassungen, welche die Natur hervorgebracht hat. Dank erstaunlicher physikalischer Tricks behaupten sich die zartesten Tiere des Meeres auf eine eigene Weise in ihrer besonderen Umwelt. Wie so oft konkurrieren neueste High-Tech-Entwicklungen im Grunde mit Errungenschaften der

Literaturhinweise

Quallen. Gefährliche Schönheiten. Von Thomas Heeger. Wissen-schaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart 1998.

Die dynamische Welt der Ozeane. Spektrum der Wissenschaft, Spezial, 1/1998.

The Physical Basis of Transparency in Biological Tissue: Ultra-Structure and the Minimization of Light Scattering. Von S. Johnsen und E. A. Widder in: Jour-nal of Theoretical Biology, Heft 199, Nr. 2, S. 181-198, Juli 1999.



Aus: Spektrum der Wissenschaft 5 / 2000, Seite 40
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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