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StartseiteForschung aktuellSpezial-Linsen fürs Dämmerlicht25.09.2017

KalmareSpezial-Linsen fürs Dämmerlicht

Kalmare leben in den Tiefen des Ozeans, wo nur noch wenig Licht ins Dunkle dringt. Um im dämmerigen Wasser trotzdem Beute zu finden, brauchen die Tiere besonders leistungsfähige Augen: Die Linse muss möglichst alle eintreffende Lichtstrahlen nutzen - dazu haben sie mithilfe der Biologie die Physik überlistet.

Von Magdalena Schmude

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Zwergkalmare (Loligo vulgaris) (IMAGO / Thomas Holtrup)
Können im Dunkeln besser gucken, als die Physik erlaubt: Kalmare (IMAGO / Thomas Holtrup)
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Wenn Licht durch einen Glaskörper fällt, wird es gebrochen. Die Strahlen werden abgelenkt und verlassen das Glas in einem im Vergleich zum Eintritt veränderten Winkel. Die Linsen im Augen nutzen diesen Effekt, um eintreffende Lichtstrahlen zu bündeln und so ein scharfes Bild auf der Netzhaut zu erzeugen. Doch durch die sogenannte sphärische Aberration können nicht alle Lichtstrahlen genau auf einen Punkt fokussiert werden, was das Bild verzerrt. Wenn genug Licht vorhanden ist, rechnet das Gehirn die störenden Signale heraus. Doch wenn es auf jeden Lichtstrahl ankommt, wie in der Dämmerung der Tiefsee, muss eine andere Lösung her, wie Alison Sweeney erklärt, Professorin für Physik an der University of Pennsylvania.

"Die Linse von Kalmaren ist das, was der Physiker James Maxwell als perfektes Medium bezeichnet hat. Ein Material, dessen Brechungsindex von innen nach außen ringförmig abnimmt und das so verzerrungsfreie Bilder erzeugen kann. Dieses Design hat einen weiteren Vorteil: Die Netzhaut kann sehr nah an der Linse sein, was das Auge sehr lichtempfindlich macht. Für jeden Bildpunkt wird möglichst viel Licht gesammelt. Kalmare haben also hochempfindliche Augen, die scharfe Bilder erzeugen, obwohl in der Tiefsee nur wenig Licht zur Verfügung steht."

Kalmar-Linsen bestehen aus einem Gel aus dem Protein S-Crystallin und Wasser. Alison Sweeney wollte wissen, welche Kombination der beiden die besonderen optischen Eigenschaften erzeugt.

"Um den von Maxwell beschriebenen Gradienten zu erzeugen, müsste die Proteinkonzentration im Zentrum der Linse so hoch sein, dass das Protein dort fast trocken ist. Während am äußeren Rand der Linse sehr wenig Protein in sehr viel Wasser gelöst sein sollte."

S-Crystallin sorgt für den Effekt

S-Crystallin ist ein kugelförmiges Protein, aus dessen Oberfläche zwei schlaufenartige Aminosäureketten herausragen. Die Theorie der Forscher: Mithilfe dieser Schlaufen könnten die Proteine sich miteinander verbinden und ein Netz bilden, dessen Maschenweite den Brechungsindex bestimmt. Um das zu untersuchen, schnitten Alison Sweeney und ihr Team Linsen in vier Schichten, von außen immer näher zum Zentrum. Dabei fanden die Forscher heraus, dass je nach Schicht verschiedene Formen von S-Crystallin vorkommen, die sich durch die Länge der hervorstehenden Schlaufen unterscheiden.

"Ein S-Crystallin kann durch die Länge der Schlaufen entscheiden, mit wie vielen anderen S-Crystallinen er sich verbinden lässt. Am äußeren Rand kann ein Protein über die Schleifen an zwei andere Proteine binden, aber wenn man weiter zur Mitte geht, werden die Schlaufen länger und gabeln sich. Dadurch können sie mit bis zu drei Partnern interagieren. Ganz im Zentrum der Linse werden die Schlaufen wieder kürzer oder verschwinden ganz. Dort binden dann insgesamt bis zu sechs Proteine aneinander, vermutlich direkt über die Oberflächen."

Je mehr Proteine miteinander verbunden sind, desto kleiner werden die Maschen des Netzes und damit der Platz für Wasser. Mit der Dichte des Netzes nimmt auch die optische Dichte und damit der Brechungsindex von außen nach innen zu. Das spannendste dabei ist für Alison Sweeney aber, dass sich die S-Crystalline eigenständig zu diesem Netz sortiert haben. Ein mögliches Vorbild für selbstorganisierende Materialien.

"Proteine sind sehr klebrig und so enden Versuche, sie räumlich anzuordnen, meist mit einem klumpigen Durcheinander. In der Linse des Kalmars haben wir jetzt ein Set von Verbindungsstücken gefunden, die ihren eigenen Zusammenbau steuern. Wir würden deshalb gerne einige S-Crystalline mit anderen Nanopartikeln kombinieren, um zu sehen, ob wir damit deren Anordnung kontrollieren können. Ähnlich wie der Kalmar es uns vorgemacht hat."

 

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