Versuchstag 1: Elektrische Fische



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Abb. 1: Versuchsaufbau Das Versuchsobjekt befand sich in einem belüfteten Aquarium, das oben mit einer Glasplatte abgedeckt war, um den Fisch am Herausspringen zu hindern. Zusätzlich befand sich eine Tonröhre im Becken, die dem Tier Unterschlupf bot. Elektrode 1 (E1) wurde rostral des Fisches ins Wasser gehalten, Elektrode 2 (E2) caudal. E1 und E2 waren an einen Differenzverstärker angeschlossen, welcher wiederum mit dem Oszilloskop (mit anschließendem Drucker) verbunden war. Über die Elektroden wurde der Potentialunterschied zwischen E1 und E2 gemessen. Es handelte sich somit um eine extrazelluläre und extracorpurale Potentialddifferenzmessung nach der Messvorschrift E = E1 E2. Diese wurde mit dem Differenzverstärker zunächst verstärkt und dann in Form eines Graphen (Spannung gegen Zeit) sichtbar gemacht. Das Ergebnis wurde auf dem Oszilloskop skaliert und anschließend ausgedruckt. 3. Ergebnisse Abb. 2: Oszilloskopisch aufgezeichneter Signalverlauf bei Gnathonemus petersii. E1 caudal, E2 rostral

Abb. 3: Oszilloskopisch aufgezeichneter Signalverlauf bei Brienomyrus brevirostris. E1 rostral, E2 caudal Der Signalverlauf von Gnathonemus petersii (Abb. 2) zeigt einen deutlich zu erkennenden biphasischen Verlauf mit 2 lokalen Maxima. Das erste Maximum liegt im negativen Bereich, danach steigt die Kurve bis zum zweiten Maximum im postiven bereich an. Nach diesem Maximum fällt sie ab und kehrt wieder zum Ausgangswert zurück. Detaillierte Beschreibung des Kurvenverlaufs von G. petersii Da ich mich am Versuchtstag mit G. petersii und seinem Signalverlauf beschäftigt habe, folgt zu diesem nun eine dataillierte Auflistung der erzielten Ergebnisse. Da keine Aussage über die absolute Spannung gemacht werden kann, werden im Folgenden nur Spannungsdifferenzen zwischen markanten Punkten des Signalverlaufs betrachtet. A B Zeitdifferenz t Spannungsdifferenz U R1 M1 106µs 232mV M1 S 44µs 424mV S M2 58µs 504mV M2 M3 76µs 1064mV M2 R2 136µs 368mV R1 R2 420µs 0mV Tabb. 1: Zeit- & Spannungsdifferenzen zwischen Ruhewert, Maxima & Schwellenwert Zunächst verläuft die Kurve geradlinig. Nach ca. 50µs ist ein Abfallen der Kurve zu sehen, sodass 106µs nach dem Ruhepotential (R1) ein lokales Maximum im negativen bereich (M1) erreicht wird, mit einer Spannungsdifferenz von 232mV gegenüber R1. Dann steigt die Kurve stetig an, bis sie nach 44µs und 424mV einen Scheitelpunkt (Schwellenwert, S) erreicht, ab dem der Anstieg steiler wird. Nach weiteren 58µs und einer Spannungsdifferenz von 58µs gegenüber S tritt das zweite lokale Maximum (M2) auf, dieses mal im Positiven. Danach fällt die Kurve steil ab und erreicht nach nur 76µs und einem Minus von 1065mV ihr drittes lokales Minimum (M3), wieder im negativen Bereich. In Folge dessen steigt sie wieder langsam an, bis sie nach 136µs den Ruhewert (R2) wieder erreicht hat. Der komplette Vorgang (R1 bis R2) hat eine Gesamtdauer von ca. 420µs. Desweiteren war zu beobachten, dass eine Vertauschung von E1 und E2 zur Folge hatte, dass der Kurvenverlauf genau an der X-Achse gespiegelt wurde. (Leider keine Grafik vorhanden.)

4. Auswertung/Diskussion Wie wir bereits wissen, kommt es bei den elektrischen Fischen durch die Verschaltung der Elektrocyten zu einer Addition der Einzelspannungen. Hieraus folgt also, dass der Spannungsverlauf nicht nur jener des gesamten elektrischen Organs ist, sondern ebenso die Vorgänge in jeder einzelnen Elektrozyte wiedergibt. Jeder Kurvenabschnitt muss somit auf zellulärer Ebene mit einem bestimmten Ereignis in Verbindung stehen. Befindet sich E1 rostral und E2 caudal, befindet sich M2 im positiven Bereich. Durch die Messvorschrift E = E1 E2 lässt sich also folgern, dass in diesem Fall E2 negativer als E1 ist. Vertauscht man die beiden Elektroden, befindet sich M2 im negativen Bereich. Wieder ist also die ans caudale Ende des Fisches gehaltene Elektrode negativer, als die rostrale. Dies lässt die Schlussfolgerung zu, dass die Elektrocyten von Caudal innerviert sind. So depolarisiert die caudale zuerst und wird somit negativer. Auf der Basis der Kenntnisse über Aktionspotentiale und deren elektrochemischen Zusammenhang betrachten wir die Kurve also erneut und setzen sie mit den Vorgängen in der Elektrozyte in Verbindung. Das erste lokale Maximum (E1) wird hierbei bewusst zunächst außen vor gelassen. Prinzipiell wird die Spannungskurve von B. brevirostris also zunächst wie jene von G. petersii betrachtet. Im Ruhezustand ist die Zellinnenseite gegenüber der Zellaußenseite negativ geladen. Offene K + -Kanäle lassen K + -Ionen mit dem Konzentrationsgefälle von innen nach Außen diffundieren. Die Natrium-Kalium-Pumpe hält das Gleichgewicht jedoch konstant. Abb. 4a: Elektrozyte im Ruhezustand Abb. 4b: Beginnende Depolarisation der caudalen Elektrozytenmembran Abb 4c: Vollständige Depolarisation der caudalen Abb. 4d: Depolarisation der rostralen Da die Spannungen an beiden en gleich sind, lässt sich extrazellulär keine Potentialdifferenz ableiten. E1 E2 beträgt also Null. Die innervierte Seite der Elektrozyte beginnt sich durch die ligandengesteuerten Na + -Kanäle zu depolarisieren und wird so (im Vergleich zu Vorher) innen etwas positiver. Dies geschieht so lange, bis der Schwellenwert (S) erreicht ist. Sobald der Schwellenwert erreicht ist, öffnen sich auch die spannungsgesteuerten Na + -Kanäle und Na + kann ungehindert in die Zelle einströmen. Die innenseite der caudalen ist somit positiver geladen als die Außenseite. Es folgt ein lokales Maximum in der Spannungskurve, M2. Durch die vollständige Depolarisation der caudalen Elektrozytenmembran und dem Eintram von Na + in die Zelle kommt es zu einer Depolarisation der rostralen. Am Punkt zwischen M2 und M3, an dem die Kurve den Wert des Ruhepotentials passiert, sind beide en gleichstark depolarisiert.

Abb 4e: Repolarisation der caudalen Abb 4f: Repolarisation der rostralen Im weiteren Verlauf zwischen M2 und M3 fällt die Kurve immer weiter ab. Dies ist zum einen auf die vollständige Depolarisation der rostralen und zum anderen auf die Repolarisation der caudalen zurückzuführen. Die Na + -Kanäle sind an dieser seite bereits geschlossen und K + -Kanäle wurden geöffnet, sodass die zum ruhepotential zurückkehrt. Es wird M3 erreicht, an dem nur noch die rostrale depolarisiert ist. Ab M3 schließen sich auch die Na + -Kanäle der rostralen wieder und K + -Kanäle öffnen sich, sodass es hier ebenfalls zu einer Repolarisation der kommt. Die komplette Elektrozyte kehrt somit in das Ruhepotential zurück. Nachdem nun das zustande kommen von M2 und M3 geklärt wurden stellt sich die Frage, woher das Maximum M1 kommt. Es weist eine sichtbar geringere Amplitude als M2 und M3 auf. Da der Ausschlag sich wie M3 ebenfalls im negativen Bereich befindet, lässt sich schlussfolgern, dass es sich ebenfalls um ein Ereignis an der rostralen Elektrozytenmembran handeln muss. In Übereinstimmung mit der Literatur liegt die Vermutung nahe, dass das Motoneuron das die caudale Elektrozytenmembran innerviert über die rostrale verläuft. In Folge dessen kommt es zur Öffnung einiger Ca 2+ -Kanäle und einem Ca 2+ -Einstrom in die Zelle, die eine leichte Depolarisation der rostralen bewirken. 5. Quellenangaben Elektrische Fische und Elektrorezeption ; Anton Roth & Karl Daumer, Biologie in unserer Zeit; 6. Jahrgang 1976 / Nr. 1 Skript des ersten Versuchstags zum Neurophysiologischen Teil des Tierphysiologischen Praktikums der Uni Mainz, Sommersemester 2008 Biologie ; W. K. Purves, D. Sadava, G. H. Orians, H. C. Heller; 7. Auflage, 2006; Elsevier Verlag Tierphysiologie ; R. Eckert, D. Randall; 4. Auflage, 2002, Georg Thieme Verlag