V1: Tarsaler Geschmackssinn und Rüsselreaktion von Insekten

Transkript

1 Die Perzeption chemischer Reize spielt im Leben der meisten Tiere eine wesentliche Rolle. Diese kommt besonders gut beim Nahrungserwerb, der Nahrungsprüfung und z.b. dem Auffinden von Geschlechtspartnern zum Ausdruck. Während bei den Vertebraten, den Arthropoden und den Mollusken zur Wahrnehmung von Riechund Schmeckstoffen hoch entwickelte Sinneszellen meist in besonderen Organen vorkommen, ist bei den übrigen Evertebraten eine scharfe Trennung in Geruchs- und Geschmackssinn in der Regel nicht möglich. Der Geruchssinn oder auch olfaktorischer Sinn wird auch als Fernsinn bezeichnet, der Geschmackssinn, der gustatorische auch als Nahsinn. Die Wahrnehmung selbst erfolgt über die Erkennung der chemischen Moleküle an der sog. Rezeptorzelle, hier kommt es dann zu der Ausbildung von Aktionspotentialen und somit zu der Transduktion (Umwandlung) von einem äußeren, chemischen Reiz in ein inneres, elektronisches Signal. Der Aufbau der Rezeptorzellen und die Aktivierung und Ausbildung der Potentiale wird in der Vorbesprechung noch näher erläutert. Ein häufiger Diskussionspunkt in der heutigen Zeit ist die zu stark zuckerhaltige Ernährung unserer Gesellschaft und die damit einhergehenden Krankheiten wie z.b. Karies und Diabetes. Um diesem Entgegenzuwirken bzw. auch Menschen mit Diabetes gesüßte Lebensmittel darzubieten, werden immer mehr Zuckerersatzstoffe / Zuckeraustauschstoffe in der Ernährung bzw. bei der Produktion von Nahrungsstoffen herangezogen. Schon länger bekannt ist hier die Gruppe der Süßstoffe wie, d.h. synthetisch hergestellte Zuckerersatzstoffe (z.b. Aspartam; Cyclamat, Saccharin), die eine sehr hohe Süßkraft im Gegensatz zum klassischen Zucker aufweisen. Eine weitere Gruppe von Zuckeraustauschstoffen stellen die Zuckeralkohole (Polyole) dar (Bsp. Mannitol, Sorbitol, Xylitol). Sehr gern werden derzeit auch immer mehr natürliche, sprich pflanzliche Zuckerersatzstoffe wie z.b. Steviolglykoside aus dem Süßkraut (Stevia rebaudiana) verwendet, die eine starke Süßkraft besitzen, aber auch oft einen bitteren Beigeschmack haben. Da es schwierig ist, den Geruchssinn im Praktikum näher zu untersuchen, sollen die Geschmacksrezeptoren von der Blauen Schmeißfliege Calliphora vomitoria (Invertebrata, Insecta) untersucht werden (Vgl. V1). Des Weiteren werden Sie als Probanden und Experimentatoren kleine Experimente zum eigenen Geschmacksempfinden durchführen, um einen besseren Überblick über die Verteilung der Geschmacksrezeptoren auf der Zunge zu erhalten (Vgl. V2) und Ihre Geschmacksempfindung zu testen (Vgl. V3-V5). 1

2 Tierphysiologie: biol108 V1: Tarsaler Geschmackssinn und Rüsselreaktion von Insekten Bei den Insekten ist der chemosensitive Sinn hoch entwickelt. Die entsprechenden Rezeptoren kommen bei ihnen z.b. an den Mundgliedmaßen, den Fühlern und den Tarsen der Beine vor (s. Abb. 7-1). Die chemo-sensitiven Neurone befinden sich hierbei in speziellen Sensillen. Während Sensillen, die dem Geruchssinn (olfaktorischer Sinn) dienen auf den Antennen sitzen und eine große Anzahl von Öffnungen aufweisen, die den Duftmolekülen den Zutritt zu den Nervenzellen ermöglichen, besitzen Geschmackssensillen (gustatorische Sensillen) lediglich einen distalen Porus. (siehe Abb. 1). Die Stimulation der tarsalen Geschmacksrezeptoren von Lepidopteren, Hymenopteren und Fliegen mit einem adäquaten Reiz führt zu einem reflektorischen Vorstrecken des Labellums. Die im Praktikum untersuchten Fliegen (blaue Schmeißfliege Calliphora vomitoria) wurden nach dem Schlupf mit Saccharose und Leitungswasser ernährt. Während die Fütterung einer Versuchsgruppe (A) kontinuierlich erfolgte, wurde einer zweiten Versuchsgruppe (B) das Futter, nicht aber das Wasser 36 Stunden vor dem Versuchstag entzogen. A Riechen olfaktorischer Sinn B Schmecken gustatorischer Sinn Abb 1: bei Fliegen. (A) Olfaktorischer Sinn (Struktur eines chemosensitiven Sensillums, Moyes & Schulte, TIERPHYSIOLOGIE, Pearson 2008) Dargestellt ist ein Sensillum auf den Antennen der Fliege. Der Posurs bzw. die Poren liegen apikal im Haarschaft vor. Dem gegenüber steht der Gustatorische Sinn (B) (Mechanismus des Geschmacksinns bei Fliegen, BIOLOGIE, Campbell & Reece, Biologie, Pearson 2006). Die Geschmackshaare befinden sich auf der Saugplatte des Rüssels und den Tarsen der Beine. Daraus folgt, dass die Haare einen distalen Porus besitzen. Versuchsdurchführung: Je 10 Fliegen der beiden Gruppen A und B werden zu Beginn des Versuches in Pipettenspitzen (1000 µl) überführt. Der vordere Teil dieser Pipettenspitzen ist zuvor jeweils soweit abgeschnitten worden bzw. abzuschneiden, dass die Fliegen, Kopf und Vorderbeine herausstreckend, mit dem Thorax in der Öffnung fixiert werden. Am Zurückkriechen werden die Tiere durch nachgeschobene Wattestopfen gehindert. Die Pipettenspitzen werden anschließend auf eine spezielle Halterung 2

3 gesteckt. Nun werden die Fliegen zur Gewöhnung für 5-10 min in Ruhe gelassen. Zu Beginn des Experimentes werden die Tiere getränkt, um eine durstbedingte Reaktion auszuschließen. Hierfür wird ein Wattestäbchen mit Wasser getränkt und an die Tarsen eines Vorderbeines gehalten, wenn daraufhin von der Fliege der Rüssel vorgestreckt wird, so muss man das Tier solange saugen lassen, bis diese durstbedingte Rüsselreaktion unterbleibt. Sprich, Sie sollten das Stäbchen kurzzeitig entfernen und wieder am Tarsus anbieten. WICHTIG: Die Wattestäbchen NICHT an den Rüssel des Tieres halten!! Nun soll die Rüsselreaktion in Kontakt mit verschiedenen Zuckern getestet werden. Hierfür stehen Verdünnungsreihen von Saccharose, Galactose, Fructose und Glucose zur Verfügung (0,001; 0,01; 0,05; 0,1; 0,5 und 1 mol/l), wobei jeweils aufsteigende Konzentrationen angeboten werden sollen und mit erfolgter Rüsselreaktion der Schwellenwert festzustellen ist (möglichst nicht an den Zuckertropfen saugen lassen). (Vgl. Abb. 2) Jede Gruppe verwendet jeweils eine Fliegengruppe A oder B und jeweils 2 unterschiedliche Zuckerlösungen, entsprechend den Handouts auf den Laborbänken. (Methode nach T. Tully und J. Hirsch: Anim. Behav. 30, 1982, ) Die Ergebnisse, sprich die Reizschwelle der einzelnen Tiere, wird bitte im Ergebnisprotokoll vermerkt. Die Konzentration, bei der die meisten Fliegen reagiert haben, nehmen Sie als Reizschwellenwert für die Versuchsgruppe. Abb 2: Versuchsaufbau V1-Tarsaler Geschmackssinn & Rüsselreaktion. Die Fliegen sollen sich wie hier dargestellt in den Pipettenspitzen befinden (Kopf und vorderes Beinpaar außerhalb der Spitze) und dann auf die Halterung verbracht werden. NACH dem Tränken mit H2O und einer VOLLSTÄNDIG ausbleibenden Rüsselreaktion kann mit dem Experiment angefangen werden. Sie fangen stets mit der NIEDRIGSTEN Konzentration der Zuckerlösung an. Sobald eine Fliege 2x den Rüssel hervorgestreckt hat, ist die Reizschwelle für Fliege X bei Konzentration Y erfolgt. Diese Fliege kann im weiteren Experiment für die Zuckerlösung X vernachlässigt werden. ACHTUNG - Bitte verwenden Sie als ersten Zucker Glucose ODER Galactose als zweiten Zucker dann Fructose oder Saccharose 3

4 V2-4: Beobachtungen über den Geschmackssinn beim Menschen Die Geschmacksrezeptoren der Wirbeltiere sind sekundäre, in sogenannten Geschmacksknospen angeordnete Sinneszellen. Sie kommen bei den Fischen auf der ganzen Körperoberfläche, insbesondere aber auf den Lippen und Bartfäden bzw. in der Mundhöhle vor. Bei den landlebenden Wirbeltieren sind die Geschmacksknospen auf die Mundhöhle und ihre Organe beschränkt. Auf der Zunge der Säugetiere finden sich die Geschmacksknospen nicht einzeln, sondern in speziell ausgebildeten Papillen. Alle Wirbeltiergruppen sind in der Lage, die 5 Geschmacksqualitäten sauer, süß, salzig, umami und bitter zu unterscheiden, wobei die Empfindlichkeiten für eine bestimmte Geschmacksqualität bei ihnen sehr stark schwanken kann. Hier wird in die sog. Makrosmaten und die Mikrosmaten gegliedert. Makrosmaten (Riechtiere) haben einen sehr starken ausgeprägten Geruchssinn, dafür häufig einem meist schlecht entwickelten Sehsinn (z.b. Raubtiere und Huftiere). Bei den Mikrosmaten ergibt sich somit ein schwächer entwickelter Geruchssinn, haben dafür aber einen besser entwickelten Sehsinn (Primaten). 4 Abb 2: Aufbau der Geschmacksorgane im Menschen. (a) Übersicht über die Verteilung der unterschiedlichen Geschmackspapillen. Die Geschmackspapillen lassen sich in 3 Typen untergliedern 1) Pilzpapillen (Papillae fungiformae), sie bilden die größte Gruppe der Papillen und liegen über den kompletten Zungenrücken verteilt vor und vermehrt an der Zungenspitze; 2) Wallpapillen (Papillae vallatae) geringster Teil mit 7-10 Stück am Zungengrund, allerdings sehr groß, daher beherbergen sie eine Vielzahl an Geschmacksknospen; 3) Blätterpapillen (Papillae foliatae) sind aufgefaltet am hinteren Zungenrand, auch hier geringe Anzahl, aber durch die starke Oberflächenvergrößerung eine Vielzahl an Knospen. Die Oberflächenvergrößerung durch die Formgebung der Paillen ist am Beispiel der Wallpapillen in (b)dargestellt. Die einzelnen Knospen liegen lateral im Stützgewebe der Papillen. Die einzelne Geschmacksknospe (c) besitzt eine Vielzahl an Rezeptorzellen. Bear et al, Neurowissenschaften, 3. Auflage, Spektrum, 2009

5 V2: Lokalisation und Histologie der Geschmacksknospen der menschlichen Zunge Lokalisation der Geschmacksrezeptoren für die Wahrnehmung verschiedener Lösungen Der Geschmackssinn für folgende Lösungen wird bei diesem Teilversuch miteinander verglichen: 1%ige Kochsalzlösung 2%ige Rohrzuckerlösung 5%ige Weinsäure 0,002%ige Chininlösung 2%ige Glutamatlösung Speiseöl Die Versuchsperson erhält die Lösungen nacheinander, ohne zu wissen, um welche Geschmacksstoffe es sich jeweils handelt. Nach jeder Probe ist die Mundhöhle mit Leitungswasser zu spülen, das Wasser bitte nicht herunterschlucken oder aber die Zunge nur mit H 2 O-getränkten Wattestäbchen zu benetzen/ reinigen. Es werden Wattestäbchen mit den oben genannten Lösungen getränkt (nicht zu nass). Hiermit werden dann nacheinander die Zungenspitze, der Zungengrund und die Zungenränder berührt. Jedes Wattestäbchen ist nur einmal zu benutzen. Es ist zu prüfen, ob die einzelnen Regionen der Zunge in verschiedener Weise geschmacksempfindlich sind. Skizzieren Sie die Ergebnisse im Ergebnisprotokoll und ergänzen Sie die Daten aus der Nachbesprechung. 5

6 V3: Reizschwellen der Geschmackswahrnehmung beim Menschen In einem weiteren Versuch sollen die Reizschwellen von Kochsalz und Saccharose untereinander und im Vergleich zu Wasser untersucht werden. Die Versuchsperson erhält in unregelmäßigem Wechsel verschieden konzentrierte Schmecklösungen (1; 0,5; 0,1; 0,05; 0,01; 0,001 mol/l) und das Wasser. Sie muss dabei stets in Unkenntnis bleiben, welche Lösung ihr gereicht wird. Der Konzentrationswert bei dem zu 50 % die richtige Entscheidung getroffen wurde, kann als Schwellenwert definiert werden, d.h. die Konzentration, bei der der Proband mehrfach die Lösung als süß oder salzig empfunden hat. Sollte der Proband ungewöhnliche Geschmäcker erkennen, vermerken Sie dieses bitte ebenfalls. Ergebnisse bitte im Ergebnisprotokoll vermerken und ergänzen Sie bitte außerdem die Daten aus der Nachbesprechung. V4: Geschmacksprüfung verschiedener Zuckerlösungen Dieser Teilversuch wird als gute Ergänzung zu den Schmeckversuchen am Fliegenbein angesehen. Unterschiedliche Zucker besitzen auch für den Menschen verschiedene Süßequalitäten. Glucose, Galactose und Lactose z.b. schmecken in gleichen Konzentrationen annähernd gleich. Daher soll die Süßeempfindung für Fructose und Saccharose im Vergleich zu Glucose untersucht werden. Von den drei Zuckern, Saccharose, Glucose und Fructose werden fein gestufte molare Lösungsreihen verwendet (0,2; 0,18; 0,16; 0,14;... bis 0,02 mol/l). Der Geschmack verschiedener Glucose- bzw. Fructose-Lösungen wird jeweils verglichen mit dem Geschmack einer bestimmten, konzentrierten Saccharoselösung (z.b. von 0,14 mol/l). Jede Gruppe erhält EINE Konzentration der Saccharose-Vergleichslösung, entsprechend dem Handout auf der Laborbank. Diejenige Fructose- bzw. Glucose-Konzentration, die geschmacksgleich zur Saccharose-Konzentration erscheint, wird notiert und grafisch dargestellt (Fructose- bzw. Glucose-Konzentration (Ordinate) gegen Saccharose-Konzentration auf der Abszisse). 6

7 Um Adaptationseffekte während des Versuches zu vermeiden, sollte regelmäßig mit Wasser gespült werden (nicht herunterschlucken oder nur mit H 2 O-getränkten Wattestäbchen zu benetzen/ reinigen ). Doch nicht nur Zucker haben einen Einfluss auf unser Süßempfinden, wie oben bereits kurz erläutert wurde. In der heutigen Zeit werden besonders gerne sog. Süßstoffe oder Zuckeraustauschstoffe verwendet. Diese Stoffe habe eine viel höhere Süßkraft als natürliche Zucker, es handelt es sich dabei entweder um synthetische (bspw. Aspartam, Saccharin) oder natürliche Stoffe (Stevia). Bei Zuckerersatzstoffen handelt es sich meist um natürliche Zuckeralkohole (bspw. Xylit, Sorbit), welche eine ähnliche Süßkraft besitzen wie Zucker, aber dennoch weniger Kalorien haben und daher neben den Süßstoffen für diätische Lebensmittel geeignet sind. Daher sollen ergänzend zwei Süßstoffe (künstlich & natürlich) zum Vergleich geschmeckt werden. Saccharose-Vergleichslösung (...mol/l) (Hier die Konzentration des Referenzwertes eintragen!) Glucose Fructose Stevia Xylitol Cyclamat/Saccharin In aufsteigender Konzentration (0,2; 0,18; 0,16; 0,14;... bis 0,02 mol/l) 7

8 V5: 1928 Coca-Cola pure drink of natural flavors Oder wie die Coca Cola Company noch so schön geschrieben hat Taste the feelings. Um dieses Feeling und die Natural flavors mal zu kosten und zu vergleichen, dient dieser letzte Versuch als gute Ergänzung zu dem Unterschied im Schmecken von Zuckern und Zuckerersatzstoffen wie natürlicher Zuckerersatzstoffe (Stevia- Glykoside), Süßstoffen und Zuckeralkoholen. Die Coca Cola Company hat mittlerweile viele unterschiedliche Cola-Sorten auf dem Markt, die eben dieses bedienen. Daher ist ein Geschmacksversuch zum Testen der unterschiedlichen Zucker / Zuckerersatzstoffe eine Alternative, um diese Süße-Unterschiede in eben einem Produkt zu vergleichen. Sie sollen in diesem Versuch die unterschiedlichen Cola-Sorten blind probieren und herausfinden welches Getränk mit welchem Zucker bzw. Zuckerersatzstoff versehen ist. 8

9 LITERATUR BEAR et al., Neurowissenschaften, 3. Auflage, Spektrum, 2009 CAMPELL & REECE, Biologie, Pearson 2006 HANKE/HAMDORF/HORN/SCHLIEPER: Praktikum der Zoophysiologie, Fischer-Verlag ECKERT: Tierphysiologie. Thieme Verlag 2002 HANSEN/HEUMANN: Die Feinstruktur der tarsalen Schmeckhaare der Fliege Phormia terraenovae Rob.-Desv. Z. Zellforsch. (1971), 117, MOYES & SCHULDTE, Tierphysiologie, Pearson 2008 PFLUMM: Zur Reizwirksamkeit von Monosacchariden bei der Fliege Phormia terraenovae. Z. vergl. Physiol. (1971), 74,

10 Ergebnis-Protokoll für den Versuch V1: Tarsaler Geschmackssinn & Rüsselreaktion bei Insekten gesättigt hungrig Saccharose Fructose Glucose Galaktose Saccharose Fructose Glucose Galaktose 0,001 mol/l 0,01 mol/l 0,05 mol/l 0,1 mol/l 0,5mol/L 1 mol/l Markieren Sie, welche Gruppe von Fliegen Sie verwendet haben und welche Zuckerlösungen Sie getestet haben. Bestimmen Sie die Reizschwelle für die einzelnen Zucker: Bei welcher Konzentration hat die Vielzahl Ihrer Tiere reagiert? Saccharose Rs (mol/l): Fructose Rs (mol/l): Glucose Rs (mol/l): Galactose Rs (mol/l): Ø Welcher Zucker hat die höchste Süßkraft für Fliegen? Ø Warum gerade dieser Zucker? 10

11 V2: Lokalisation und Histologie der Geschmacksknospen der menschlichen Zunge Ø Skizzieren Sie Ihre persönliche Geschmackswahrnehmung auf der Zunge und vervollständigen Sie die Legende (Symbole oder Farben). LEGENDE süß salzig bitter sauer umami fettig Ø Wie sieht die Verteilung der Rezeptoren innerhalb der Kursgruppe aus? Gibt es spezifische Regionen für die unterschiedlichen Geschmäcker? Ø Warum ist es von entscheidender Bedeutung, dass Bitterstoffe erkannt werden? Ø Ist die Reizschwelle dieser Wahrnehmung dauerhaft oder ist sie veränderbar? 11

12 V3: Reizschwellen der Geschmackswahrnehmung beim Menschen [mol/l] 0,001 0,01 0,05 0,1 0,5 1 NaCl Saccharose Ø Bei welchen Konzentrationen empfinden Sie die jeweilige Lösung als süß oder salzig? NaCL Rs (mol/l): Saccharose Rs (mol/l): Ø Ergänzen Sie bitte die Werte der gesamten Kursgruppe von der Tafel. Ø Können diese Lösungen andere Geschmacksempfindungen hervorrufen? Wovon ist die Empfindung anhängig? Ø Ist die Geschmacksempfindung veränderbar? 12

13 V4: Geschmacksprüfung verschiedener Zuckerlösungen [mol/l] 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 Glucose Saccharose Fructose Cyclamat Xylitol Stevia Ø Markieren Sie in der Tabelle Zucker (rot) und Zuckerersatzstoffe (blau). Ø Welcher Zucker bzw. Zuckerersatzstoff hat für Sie persönlich die höchste Süßkraft? Ø Haben Zucker oder Zuckerersatzstoffe eine höhere Süßkraft? Ø Welcher Zucker hat die höchste Süßkraft, welcher die schwächste, erläutern Sie. V5: Geschmacksprüfung verschiedener Zuckerlösungen Ø Welche Cola trifft Ihren Geschmack am ehesten? (Kreuzen Sie an) Datum, Unterschrift des Dozenten 13