Sehen ohne Augen

Der folgende Aufsatz wurde mit Genehmigung von The Conversation nachgedruckt, einer Online-Publikation, die über die neueste Forschung berichtet.

Wir Menschen sind ungewöhnlich visuelle Wesen. Und diejenigen von uns, die mit normalem Sehvermögen ausgestattet sind, sind daran gewöhnt, unsere Augen als entscheidend dafür zu betrachten, wie wir die Welt erleben.

Das Sehen ist eine fortgeschrittene Form der Photorezeption – also der Wahrnehmung von Licht. Aber wir erleben auch andere, rudimentärere Formen der Photorezeption in unserem täglichen Leben. Wir alle kennen zum Beispiel das Vergnügen, die warme Sonne auf unserer Haut wahrzunehmen, in diesem Fall mit Wärme als Ersatz für Licht. Dazu sind keine Augen oder gar spezielle Fotorezeptorzellen nötig.

Wissenschaftler haben aber in den letzten Jahrzehnten entdeckt, dass viele Tiere – auch der Mensch – an unerwarteten Stellen, außerhalb der Augen, spezialisierte lichtdetektierende Moleküle besitzen. Diese „extraokularen Photorezeptoren“ befinden sich meist im zentralen Nervensystem oder in der Haut, häufig aber auch in inneren Organen. Was machen lichtempfindliche Moleküle an Orten außerhalb der Augen?

Sehen hängt von der Erkennung von Licht ab

Alle bei Tieren identifizierten Sehzellen erkennen Licht mithilfe einer einzigen Familie von Proteinen, den Opsinen. Diese Proteine schnappen sich ein lichtempfindliches Molekül – abgeleitet von Vitamin A -, das bei Lichteinfall seine Struktur verändert. Das Opsin wiederum verändert seine eigene Form und schaltet Signalwege in den Photorezeptorzellen ein, die schließlich eine Nachricht an das Gehirn senden, dass Licht erkannt wurde.

Der größte Teil unseres bewussten Sehens stammt von den Photorezeptoren in der Netzhaut, der lichtempfindlichen Schicht an der Rückseite unseres Augapfels. Bei Tieren mit Rückgrat (Wirbeltiere) sind die Zellen, die das Licht für das Sehen erkennen, vage wie Stäbchen oder Zapfen geformt, was ihnen ihre bekannten Namen gibt.

Wir wissen schon seit einiger Zeit, dass andere Wirbeltiere zusätzliche Photorezeptoren in ihrem Gehirn haben. Aber Wissenschaftler dachten lange, dass Stäbchen und Zapfen so ziemlich die ganze Geschichte des Sehens bei Säugetieren sind. Daher war die Entdeckung weiterer Zellen in der Netzhaut von Mäusen, die auf Licht reagieren, durch die Gruppe von David Berson an der Brown University in den frühen 2000er Jahren ein Schock.

Noch seltsamer waren die damit verbundenen Entdeckungen in vielen Labors, die zeigten, dass diese Zellen eine neue Klasse von Opsin-Proteinen, die Melanopsine, enthielten, die noch nie zuvor bei Wirbeltieren gesehen wurden (aber denen vieler Wirbelloser ähneln). Sie scheinen nicht am bewussten Sehen beteiligt zu sein.

Wir können sie kaum extraokular nennen, da sie sich direkt im Auge befinden. Stattdessen werden sie oft als „nicht-visuelle“ Photorezeptoren bezeichnet. Das ist der Begriff, den Forscher für alle tierischen Photorezeptoren verwenden, die nicht mit Abbildungswegen im Nervensystem verbunden sind.

So wissen wir jetzt, dass es bei vielen – vielleicht den meisten – Tieren nicht-visuelle Photorezeptoren in den Augen selbst gibt. Wo sonst können wir sie im ganzen Körper finden?

Die Jagd nach Photorezeptoren, die nicht in den Augen liegen

Im Allgemeinen bedeutet die Identifizierung eines potentiellen extraokularen Photorezeptors die Suche nach den Proteinen, die Licht erkennen können, den Opsinen. Das Aufkommen preiswerter und effizienter molekulargenetischer Technologien hat die Suche nach Opsinen zu einer Heimindustrie in Labors weltweit gemacht.

Zellen, die Opsine enthalten, sind wahrscheinlich aktive Photorezeptoren, aber Forscher verwenden physiologische oder Verhaltenstests, um dies zu bestätigen. Sie können zum Beispiel nach elektrischen Veränderungen suchen oder nach einer Veränderung der Aktivität eines Tieres Ausschau halten, wenn sie die Zelle dem Licht aussetzen.

Die Photorezeptoren, die Wissenschaftler außerhalb der Augen gefunden haben, befinden sich am häufigsten im zentralen Nervensystem. Fast alle Tiere haben mehrere Typen im Gehirn und oft auch in den Nerven.

In der Haut finden wir die meisten anderen Lichtrezeptoren, vor allem in aktiven farbwechselnden Zellen oder Hautorganen, den sogenannten Chromatophoren. Das sind die schwarzen, braunen oder bunten Flecken, die viele Fische, Krebse oder Frösche haben. Ihre höchste Ausprägung erreichen sie bei den Kopffüßern: Oktopus, Tintenfisch und Sepia. Tiere steuern ihre Farbe oder ihr Muster aus verschiedenen Gründen aktiv, am häufigsten zur Tarnung (um sich der Farbe und dem Muster des Hintergrunds anzupassen) oder um helle, auffällige Signale für Aggression oder das Anlocken eines Partners zu erzeugen.

Überraschenderweise gibt es neben den Opsinen eine zweite Klasse lichtempfindlicher Moleküle, die (soweit wir wissen) nie für das Sehen verwendet werden. Sie tauchen in einigen Nervenstrukturen auf, etwa im Gehirn oder in den Fühlern einiger Insekten und sogar in der Netzhaut von Vögeln. Es handelt sich dabei um die Kryptochrome, die so genannt werden, weil ihre Funktionen und Wirkungsweisen noch wenig verstanden sind. Ursprünglich wurden Kryptochrome in Pflanzen entdeckt, wo sie das Wachstum und die jährlichen Fortpflanzungsänderungen steuern.

Warum erkennen sie Licht außerhalb der Augen?

Nun, da wir wissen, dass diese Photorezeptoren überall im Körper von Tieren zu finden sind, was in aller Welt machen sie eigentlich? Offensichtlich hängt ihre Funktion zum Teil von ihrem Standort ab.

Generell regulieren sie lichtvermitteltes Verhalten, das unterhalb der Bewusstseinsebene existiert und keine extrem genaue Kenntnis des Standorts einer Lichtquelle in Raum oder Zeit erfordert. Typische Funktionen sind das Timing der täglichen Zyklen von Wachheit, Schlaf und Wachsein, Stimmung, Körpertemperatur und zahlreiche andere interne Zyklen, die mit dem Wechsel von Tag und Nacht synchronisiert sind.

Biologische Uhren, die regelmäßige physiologische Zyklen aufrechterhalten – und die Unannehmlichkeiten des Jetlags verursachen – werden fast immer von diesen Photorezeptoren gesteuert. Auch für das Öffnen und Schließen der Pupille des Auges zur Anpassung an unterschiedliche Lichtverhältnisse sind diese Detektoren wichtig. Hautphotorezeptoren wie bei Fischen oder Tintenfischen steuern oft Farb- und Mustervariationen.

Bei einigen Tieren haben sie eine ganz andere und ziemlich erstaunliche Aufgabe – sie sorgen für die Magnetorezeption, also die Fähigkeit, das Magnetfeld der Erde zu erkennen. Diese Fähigkeit beruht auf den Kryptochromen, die offenbar bei so unterschiedlichen Tieren wie Vögeln und Kakerlaken Mechanismen zur magnetischen Orientierung zugrunde liegen.

Menschen haben auch nicht-visuelle Photorezeptorfähigkeiten

Mit der Entdeckung lichtempfindlicher Netzhautzellen neben Stäbchen und Zapfen in der Netzhaut von Säugetieren wurde klar, dass auch der Mensch nicht-visuelle Bahnen zur Steuerung von Verhalten und Funktion nutzen muss.

Die Pupillengröße variiert mit wechselndem Licht, selbst bei funktionell blinden Menschen. Eine gemeinsame britisch-amerikanische Studie, die 2007 veröffentlicht wurde, fand heraus, dass Patienten, die aufgrund einer genetischen Störung alle Stäbchen und Zapfen verloren haben, immer noch auf Licht reagierende Tagesrhythmen und Pupillen haben können. Ein Patient konnte sogar über die Empfindung von „Helligkeit“ berichten, wenn ihm blaues Licht gezeigt wurde, das die retinalen Nicht-Stäbchen-, Nicht-Zapfen-Photorezeptoren stimulieren sollte.

Rezente Forschungen mit Nagetieren an der Johns Hopkins University durch die Gruppe von Samer Hattar legen nahe, dass nicht-visuelle Bahnen die Stimmung, die Lernfähigkeit und sogar die Empfindlichkeit des bewussten Sehens regulieren können.

Ein unerwarteter neuer Befund in der Forschung unter der Leitung von Solomon Snyder und Dan Berkowitz, ebenfalls an der Johns Hopkins University, ergab, dass Blutgefäße in Mäusen Melanopsin enthalten, das Opsin, das in der nicht-visuellen Photorezeption der Netzhaut verwendet wird. Sie fanden heraus, dass dieses lichtempfindliche Protein die Kontraktion und Entspannung der Blutgefäße regulieren kann. Da Menschen wahrscheinlich das gleiche System haben, könnte dies teilweise die Zunahme von Herzinfarkten am Morgen erklären, die vielleicht mit den zu dieser Zeit auftretenden Blutdruckveränderungen zusammenhängen.

Wir wissen, dass die nicht-visuelle Lichterkennung allgegenwärtig und im Leben von Tieren von Bedeutung ist. Zukünftige Forschung wird ihre Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und das Wohlbefinden weiter entschlüsseln.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.