Anatomie und Physiologie

Elektrorezeption

Elektrorezeption , die Fähigkeit, schwache natürlich vorkommende elektrostatische Felder in der Umwelt zu erkennen . Die Elektrorezeption findet sich bei einer Reihe von Wirbeltierarten , einschließlich der Mitglieder von zwei verschiedenen Linien von Teleost (eine Gruppe von Rochenfischen) und Monotremen (eierlegende Säugetiere). Hummeln können auch schwache elektrische Felder erkennen. Bei Wirbeltieren wird die Elektrorezeption durch das Vorhandensein empfindlicher Elektrorezeptororgane in der Haut ermöglicht.

Meissners Körper;  Mechanorezeption
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Mechanorezeption: Ampulläre Seitenlinienorgane (Elektrorezeptoren)
Eine Spezialisierung des Seitenliniensystems ist die Bildung tief vergrabener, einzelner elektrisch empfindlicher Organe in mehreren Gruppen von Fischen ....

Die Elektrorezeption erleichtert die Erkennung von Beute oder anderen Nahrungsquellen und Gegenständen und wird von einigen Arten als Mittel der sozialen Kommunikation verwendet. Im Allgemeinen Landtiere haben wenig Verwendung für Elektrorezeption , weil der hohe Luftwiderstand den Fluss der begrenzt elektrischen Strom . Dem Menschen fehlen also Elektrorezeptoren; Durch die wahllose Stimulation sensorischer und motorischer Nervenfasern kann der Mensch jedoch starke elektrische Ströme (z. B. von Batterien oder statischen Generatoren) erfassen, die entweder aus dem direkten Kontakt mit einer elektrischen Quelle oder dem indirekten Kontakt mit einem leitenden Medium wie Wasser resultieren.

Entdeckung von Elektrorezeptoren

Elektrorezeptororgane wurden erstmals in den frühen 1960er Jahren von dem amerikanischen Neurowissenschaftler Theodore H. Bullock und Kollegen sowie von den französischen Wissenschaftlern Thomas Szabo und Alfred Fessard physiologisch aus schwach elektrischen Fischen identifiziert. Die Existenz von Elektrorezeptoren wurde in den 1950er Jahren vom britischen Zoologen Hans W. Lissmann erwartet, der als erster kontinuierlich schwache elektrische Entladungen eines elektrischen Organs im Schwanz einer afrikanischen Süßwasserfischart ( Gymnarchus niloticus) entdeckte). Bis 1958 hatte er den Grund für die Entladung nachgewiesen, indem er zeigte, dass der Fisch das Vorhandensein von Glas- und Metallstäben oder anderen leitenden oder nichtleitenden Objekten in Abständen von 10 cm oder mehr erkennen konnte, selbst wenn keine Sicht vorhanden war. mechanische oder chemische Hinweise. Lissmann postulierte, dass der Fisch die Verzerrungen seiner eigenen elektrischen Organentladungen als elektrische Schatten auf seiner Haut wahrnahm. Er vermutete zu Recht, dass der Fisch dermale Elektrorezeptoren enthielt. Er nannte ihr Verhalten "Elektrolokalisierung" nach der bekannten Fähigkeit von Fledermäusen, Objekte zu echolokalisieren, indem sie zurückkehrende Ultraschallechos aus ihren Anrufen erkennen.

In den 1960er Jahren stellten die niederländischen Wissenschaftler Sven Dijkgraaf und Adrianus J. Kalmijn fest, dass Haie und Rochen, deren dermale Sinnesorgane als Ampullen von Lorenzini bezeichnet werden, schwache elektrische Ströme von ihren Beuteorganismen wie Plattfischen wahrnehmen können, selbst wenn die Organismen unter Sand begraben sind. Dijkgraaf und Kalmijn zeigten, dass die Ampullen von Lorenzini für dieses Verhalten wesentlich waren, das ausschließlich auf elektrosensorischen Hinweisen beruhte, und dass die Beute schwache Gleichstromfelder um ihre Kiemen, ihren Darm und ihre Hautwunden hatte, die ihre Anwesenheit verraten Die Haie. Wenn Sie die Wahl zwischen einem mit Plastikfolie bedeckten Beutefisch und einem Paar Drahtelektroden haben, die mit einem Beutefisch in einem anderen Becken, dem Hai, verbunden sindbevorzugt die Drähte auszugraben. Kalmijn und Kollegen nannten diese Fähigkeit passive Elektrolokalisierung, im Gegensatz zu der von Lissmann entdeckten aktiven Elektrolokationsfähigkeit von G. niloticus .

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Evolution und Anatomie der Elektrorezeption

Die Elektrorezeption trat zuerst bei kieferlosen Kraniaten (Tieren mit Schädeln) wie Neunaugen auf, die ein epidermales „Endknospen“ -Organ besitzen, das vom Nerv der Seitenlinie innerviert wird. Die Endknospenrezeptoren reagieren empfindlich auf schwache niederfrequente elektrische Felder (DC bis 50 Hertz [Hz]). Unter den frühesten Wirbeltieren mit Kiefer waren die ersten ampullären Elektrorezeptoren in die Haut oder an die Basis eines langen leitenden Kanals eingebettet, der von der Hautoberfläche zu einem speziellen Fleck modifizierter sensorischer Epithelzellen führte (im Fall von Ampullen von Lorenzini). Die sensorischen Epithelzellen ähneln Haarzellen der Seitenlinie oder des Innenohrsund die Nervenfasern, die sie mit dem Gehirn verbinden, wandern in denselben Nervenbündeln mit den Nerven der Seitenlinie. Die Zellen, die die Ampullenkanäle auskleiden, sind dicht gepackt, um einen hochohmigen Isolator um das niederohmige Kanallumen zu bilden, das aus einer salzigen gelatineartigen Matrix besteht. Ähnlich wie ein isolierter Draht ist diese Anordnung ideal zum Leiten elektrischer Ströme zu den sensorischen Zellmembranen. Alle Elektrorezeptoren von Wirbeltieren folgen diesem Grunddesign.

Die Elektrorezeption wird von allen primitiven Wassertieren geteilt, einschließlich einiger aquatischer Amphibien, aber sie ging in den Amnioten verloren, als sie den Übergang zu einer terrestrischen Existenz vollzogen. In diesen MonotremenSäugetiere, bei denen der Sinn wieder auftauchte, die Elektrorezeption wird von modifizierten Schleimdrüsen auf der Rechnung oder der Schnauze abgeleitet. Die Schleimdrüsen haben niederohmige Kanäle, die Strom aus der Umgebung zu den bloßen Nervenenden des Trigeminusnervs leiten. Bei den meisten modernen Fischen fehlt die Elektrorezeption, mit Ausnahme von zwei unabhängig voneinander entwickelten Teleost-Linien, zu denen die Welse und die notopteriden Messerfische Afrikas gehören. In diesen Gruppen entwickelten sich Elektrorezeptoren unabhängig voneinander als ampulläre Rezeptoren. In beiden Abstammungslinien traten auch tuberöse oder Wechselstrom-empfindliche (AC-) empfindliche Elektrorezeptoren als Untergruppen elektrischer Fische auf. Diese Untergruppen sind die südamerikanischen Messerfische (Gymnotiformes), zu denen der elektrische Aal ( Electrophorus electricus) gehört) und die nicht verwandten Süßwasser- Mormyridenfische (Mormyroidea) aus Afrika. Mitglieder beider Gruppen nutzen ihre Knollenorgane zur aktiven Elektrolokalisierung von Objekten und zur elektrischen Kommunikation.

Untersuchungen zur Elektrorezeption bei Wirbellosen haben gezeigt, dass es hohe Verhaltensschwellen gibt. Beispielsweise reagiert der Wurm Caenorhabditis elegans auf Ströme, die größer als drei Volt pro Zentimeter sind. Im Vergleich dazu haben Haie und Rochen, die die empfindlichsten ampullären Rezeptoren aufweisen, Schwellenwerte von nur 0,02 Mikrovolt pro Zentimeter. Hummeln erkennen schwache elektrische Felder, die von Blumen erzeugt werden, obwohl der Mechanismus und die Funktion der Elektrorezeption in diesem Fall unbekannt sind. Das Phänomen wurde erstmals für die Art Bombus terrestris berichtet .

Funktionen der Elektrorezeption

Electroreceptors provide a low-resistance pathway for current to flow from the external environment to a sensory epithelium containing cells with voltage-sensitive proteins known as ion channels in their membranes. As a sensory cell takes in positive ions as a result of voltage-induced ion channel stimulation, its polarization state shifts and briefly reverses, resulting in the generation of an action potential. The action potential produces a nerve impulse that travels to the brain, causing a behavioral response in the animal. The specific behaviour produced is related to the type of electroreceptor involved.

Ampullary electroreceptors are used for passive electrolocation of the DC electric fields from prey organisms, predators, or conspecifics. The ability to sense other animals presumably gave electroreceptive fishes an advantage in navigating through dark or turbid water. Tuberous electroreceptors, which are found only in electroreceptive species of teleosts, are used for sensing the AC electric fields from electric organs, either for active electrolocation of objects or for social communication. Electric communication signals from electric organs can be quite elaborate and varied. A rich repertoire of electric signals is used for signaling threats, submission, alarm, and courtship, and some of electroreceptive fish have electric signals for sex, species, and individual recognition.