Es geht mehr als hundert Mal schneller als ein Wimpernschlag: Gerade einmal 700 Nanosekunden braucht die Giftladung eines Süßwasserpolypen, um eine Beute zu erreichen. Süßwasserpolypen jagen und leben in heimischen Seen und Bächen. Die nur wenige Millimeter großen Tiere sind mit einem Fuß auf dem Untergrund verankert und strecken ihre Fangarme im Wasser aus, in der Hoffnung auf Beute. Bevorzugte Beute sind die ebenfalls winzigen Bachflohkrebse. Was passiert, wenn ein Krebs zu unvorsichtig ist, beschreibt Thomas Holstein, Zoologe von der Universität Heidelberg:
"Der Krebs kommt in Kontakt mit den Fangarmen, den Tentakeln, und in diesen Fangarmen sind Tausende von Nesselzellen. Jede dieser Nesselzellen hat an ihrer Spitze ein Sinneshaar. Wenn dieses Sinneshaar berührt wird, wird die Entladung ausgelöst."
Explosionsartig wird dann der tödliche Inhalt einer so genannten Nesselkapsel auf den Krebs geschossen und der Krebspanzer durchbohrt - wie mit einer winzigen, mit Gift gefüllten Harpune.
"Dieser Prozess ist so schnell, dass der Krebs gar nicht merkt, dass er getroffen wurde."
Thomas Holstein beschäftigt sich schon seit über 20 Jahren mit der Giftschleuder der Süßwasserpolypen. In den 1980er Jahren versuchte er, den Prozess mit einer analogen Hochgeschwindigkeitskamera zu erfassen. Die Bildsequenzen von damals ließen aber nur erahnen, wie schnell die Entladung der Nesselkapseln vor sich geht. Der Forscher und seine Kollegen wollten es aber genauer wissen.
"Wir haben dazu jetzt eine so genannte elektronische framing-streak Kamera verwandt. Und mit dieser Kamera ist es möglich, im Zeitfenster von bis zu Picosekunden Prozesse aufzulösen. "
Und damit zehnmal besser als vor 20 Jahren. Die Kamera ermöglicht den Forschern, zwei Arten von Aufnahmen zu machen. Einerseits kann ein Schmierbild aufgenommen werden, der das Giftschleudern verwischt, aber als kontinuierlichen Prozess darstellt. Andererseits können Sequenzen aus acht bis 16 Bildern pro Entladung aufgenommen werden.
"Wir haben eine Belichtungszeit von 200 Nanosekunden und ein Bildintervall von 500 Nanosekunden, das heißt im schnellsten Fall war der Prozess immer noch so schnell, dass von einem Bild zum nächsten Bild dieser Prozess stattgefunden hat. Und wenn Sie so wollen, könnte der Prozess sogar noch schneller gewesen sein als die 700 Nanosekunden, die wir hier festgestellt haben."
Bei der Entladung der Nesselkapsel wird eine enorme Beschleunigung erreicht, nämlich das Fünfmillionenfache der Fallbeschleunigung der Erde. Die Forscher konnten berechnen, dass die dolchartige Spitze der Giftschleuder mit über 130 Kilometern pro Stunde auf den Panzer des Krebses trifft. Der Druck beim Aufprall entspricht dem von Gewehrkugeln. Thomas Holstein und seine Kollegen interessieren sich auch dafür, wie es möglich ist, mit dem Inhalt einer so winzigen und leichten Nesselkapsel so viel Kraft zu erzeugen:
"Die Nesselkapselentladung funktioniert, um es einfach auszudrücken, nach dem Prinzip einer vorgespannten Feder. Wir haben eine Kapselwand, die aus reißfesten Molekülen aufgebaut ist: Kollagene. Kollagene kennen Sie aus den Sehnen zum Beispiel. Und die Reißfestigkeit dieses Kollagens ist in der Größenordnung von Stahl. "
Der Gegenspieler der Kapselwand ist das Kapselinnere. Durch extrem viel gelöstes Salz herrscht im Innern ein enormer Überdruck. Dieser Druck kann durch die Absprengung des Kapseldeckels entweichen und wird in Bewegungsenergie umgewandelt. Wie ein umgestülpter Finger eines Handschuhs, der blitzartig wieder nach außen gestülpt wird, schießt die dolchartige Spitze des Giftschleuderapparats dann auf das Beutetier zu. So schnell Süßwasserpolypen beim Beutefang sind, so geruhsam geht es sonst bei ihnen zu. Sie vermehren sich durch nicht-sexuelle Teilung und können im Prinzip unendlich alt werden. Seit über 700 Millionen Jahren gibt es Nesseltiere wie die Süßwasserpolypen schon auf der Erde. Ihre Giftschleudern sind vielleicht sogar noch älter.
"Wir haben Hinweise, dass diese Nesselzellen schon ein Erbe sind aus den einzelligen Vorfahren der Nesseltiere, und mit Hilfe der laufenden Genomprojekte werden wir diese Fragen sicherlich in Zukunft prinzipiell klären können."
"Der Krebs kommt in Kontakt mit den Fangarmen, den Tentakeln, und in diesen Fangarmen sind Tausende von Nesselzellen. Jede dieser Nesselzellen hat an ihrer Spitze ein Sinneshaar. Wenn dieses Sinneshaar berührt wird, wird die Entladung ausgelöst."
Explosionsartig wird dann der tödliche Inhalt einer so genannten Nesselkapsel auf den Krebs geschossen und der Krebspanzer durchbohrt - wie mit einer winzigen, mit Gift gefüllten Harpune.
"Dieser Prozess ist so schnell, dass der Krebs gar nicht merkt, dass er getroffen wurde."
Thomas Holstein beschäftigt sich schon seit über 20 Jahren mit der Giftschleuder der Süßwasserpolypen. In den 1980er Jahren versuchte er, den Prozess mit einer analogen Hochgeschwindigkeitskamera zu erfassen. Die Bildsequenzen von damals ließen aber nur erahnen, wie schnell die Entladung der Nesselkapseln vor sich geht. Der Forscher und seine Kollegen wollten es aber genauer wissen.
"Wir haben dazu jetzt eine so genannte elektronische framing-streak Kamera verwandt. Und mit dieser Kamera ist es möglich, im Zeitfenster von bis zu Picosekunden Prozesse aufzulösen. "
Und damit zehnmal besser als vor 20 Jahren. Die Kamera ermöglicht den Forschern, zwei Arten von Aufnahmen zu machen. Einerseits kann ein Schmierbild aufgenommen werden, der das Giftschleudern verwischt, aber als kontinuierlichen Prozess darstellt. Andererseits können Sequenzen aus acht bis 16 Bildern pro Entladung aufgenommen werden.
"Wir haben eine Belichtungszeit von 200 Nanosekunden und ein Bildintervall von 500 Nanosekunden, das heißt im schnellsten Fall war der Prozess immer noch so schnell, dass von einem Bild zum nächsten Bild dieser Prozess stattgefunden hat. Und wenn Sie so wollen, könnte der Prozess sogar noch schneller gewesen sein als die 700 Nanosekunden, die wir hier festgestellt haben."
Bei der Entladung der Nesselkapsel wird eine enorme Beschleunigung erreicht, nämlich das Fünfmillionenfache der Fallbeschleunigung der Erde. Die Forscher konnten berechnen, dass die dolchartige Spitze der Giftschleuder mit über 130 Kilometern pro Stunde auf den Panzer des Krebses trifft. Der Druck beim Aufprall entspricht dem von Gewehrkugeln. Thomas Holstein und seine Kollegen interessieren sich auch dafür, wie es möglich ist, mit dem Inhalt einer so winzigen und leichten Nesselkapsel so viel Kraft zu erzeugen:
"Die Nesselkapselentladung funktioniert, um es einfach auszudrücken, nach dem Prinzip einer vorgespannten Feder. Wir haben eine Kapselwand, die aus reißfesten Molekülen aufgebaut ist: Kollagene. Kollagene kennen Sie aus den Sehnen zum Beispiel. Und die Reißfestigkeit dieses Kollagens ist in der Größenordnung von Stahl. "
Der Gegenspieler der Kapselwand ist das Kapselinnere. Durch extrem viel gelöstes Salz herrscht im Innern ein enormer Überdruck. Dieser Druck kann durch die Absprengung des Kapseldeckels entweichen und wird in Bewegungsenergie umgewandelt. Wie ein umgestülpter Finger eines Handschuhs, der blitzartig wieder nach außen gestülpt wird, schießt die dolchartige Spitze des Giftschleuderapparats dann auf das Beutetier zu. So schnell Süßwasserpolypen beim Beutefang sind, so geruhsam geht es sonst bei ihnen zu. Sie vermehren sich durch nicht-sexuelle Teilung und können im Prinzip unendlich alt werden. Seit über 700 Millionen Jahren gibt es Nesseltiere wie die Süßwasserpolypen schon auf der Erde. Ihre Giftschleudern sind vielleicht sogar noch älter.
"Wir haben Hinweise, dass diese Nesselzellen schon ein Erbe sind aus den einzelligen Vorfahren der Nesseltiere, und mit Hilfe der laufenden Genomprojekte werden wir diese Fragen sicherlich in Zukunft prinzipiell klären können."