Xxxx xxxxxxxx 10.12.2002 Gruppe 9 Versuchsprotokoll: Elektrische Fische Einleitung Das Kursobjekt dieses Versuches ist Gnathonemus petersii ( Fam.: Mormyridae ). Bei diesem Fisch handelt es sich um einen so genannten Knatterer. Er sendet die elektrischen Impulse, deren Häufigkeit sich mit Zunahme der Erregung des Fisches steigert, permanent aus. Diese Impulse dienen dem Fisch zur Ortung und Kommunikation. Im vorliegenden Versuch sollen durch zwei unterschiedliche Versuchsteile Aussagen über (i) den Aufbau und die Funktion der Elektrozyten und des elektrischen Organs und (ii) über die Lage und Orientierung des elektrischen Organs im Fischkörper gemacht werden. Untersucht werden hier die Potentialdifferenzen bzw. Spannungsunterschiede [U] im elektrischen Feld außerhalb des Fisches im Bezug zur Zeit [t]. Material und Methoden (i) Charakterisierung des Elektrozyten mit Hilfe des aufgezeichneten Signalverlaufs: Die Messung des elektrischen Signals des Fisches erfolgt mittels eines Oszilloskops. Insgesamt wird das Signal über drei Elektroden abgeleitet: die Elektrode E1 ( hier am Schwanzende lokalisiert ), die Elektrode E2 ( am Kopfende ) sowie eine Elektrode die der Erdung dient. Während der gesamten Messung befindet sich der Fisch in einer Tönröhre ( als Versteck ) in einem Aquarium. Das Signal wird von den Elektroden aufgenommen und zuerst in einem Differenzverstärker verarbeitet ( Rechenregel: E = E1 E2 ). Hier wird das Signal auch verstärkt und etwaige Störungen herausgefiltert ( 50Hz Filter ).
(ii) Lage und Orientierung des elektrischen Organs im Fischkörper: In diesem Versuchsteil werden die Potentiallinien um den Fischkörper ( genauer: die Isopotentialen ) ermittelt. Der Fisch wird dazu in einem Plastikkäfig im Aquarium platziert und erhält damit eine feste Position, die er nicht ändern kann. Jetzt werden zwei Elektroden auf einem X,Y-Schlitten befestigt, wobei eine Elektrode fest montiert und die andere um die Feste frei drehbar ist. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden beträgt hier genau 10mm. Durch diese Anordnung der Elektroden ist es jetzt möglich den Verlauf der Potentiallinien zu ermitteln. Die Schlitten wird ca. 1cm vom Fischkörper platziert und die bewegliche Elektrode so lange gedreht bis die Potentialdifferenz NULL ist! Das bedeutet, dass sich beide Elektroden auf dem gleichen Spannungsniveau und somit auch auf derselben Potentiallinie befinden. Nun wird diese Anordnung in einer Zeichnung ( Millimeterpapier ) festgehalten und die Lage des Schlittens verändert. Dabei rückt jetzt die feste Elektrode auf die Position, auf der sich vorher die bewegliche Elektrode befand. Danach ermittelt man durch Drehen der beweglichen Elektrode wieder den Nullwert. Diesen Vorgang kann man beliebig oft wiederholen und so ein immer genaueres Bild der Potentiallinien um den Fischkörper erstellen.
Ergebnisse (i) Folgende Grafik wurde mit dem Oszilloskop aufgezeichnet: Bei der Aufzeichnung des Signals befand sich die E1 am Schwanzende und E2 am Kopfende ( E=E1-E2 ). Auf der Abbildung kann man den zeitlichen Ablauf der Spannungsänderung um den Fischkörper erkennen. Die Grafik steht sowohl für das Einzelsignal einer Elektrozyte, als auch für die Impulsabgabe aller zusammen, da die Elektrozyten ihre Signale gleichzeitig ( also synchronisiert ) abgeben. (ii) In der folgenden Grafik sind die Isopotentiallinien des Fisches dargestellt:
Die blaue Linie in der Mitte stellt die Längsachse des Fisches dar, wobei das Kopfende (1) auf der linken Seite und das Schwanzende (2) auf der rechten Seite liegt. Die Ziffer (3) bezeichnet die sogenannte Nulllinie, die die Mitte des elektrischen Organs angibt. An der Nulllinie wechselt dementsprechend die Polarität. Mit (4) sind die elektrischen Feldlinien gekennzeichnete. Die gestrichelten Linien werden als Potentiallinien bezeichnet. Die Lage des elektrischen Organs ist hier rot gekennzeichnet. Es liegt also in der Schwanzregion des Fisches. Die Ausführungen zu diesem Versuchsteil sind rein theoretisch, da er nicht praktisch durchgeführt wurde. Auswertung: (i) Das vorliegende Signal wird als biphasisch bezeichnet, da es sowohl eine Auslenkung in den positiven als auch in den negativen Bereich besitzt. Im Abschnitt (a) befindet sich die Elektrozyte im Ruhezustand. Dargestellt ist also das Ruhepotential. Da die Elektrozyten phylogenetisch von Muskelzellen abstammen, ( aber nicht mehr kontraktil sind ) werden sie über Motoneurone aus dem Rückenmark innerviert. Wenn ein Aktionspotential über eines dieser Motoneurone zur Motorischen Endplatte läuft, wird Acetylcholin (ACh) als Transmitter in den entsprechenden synaptischen Spalt ausgeschüttet. Das ACh bindet an die nicotinergen ACh- Rezeptoren an der postsynaptischen Membran. Dadurch werden die ligandengesteuerten Natriumkanäle geöffnet, Natrium kann in die Zelle einströmen und die Elektrozyte beginnt sich zu depolarisieren (b). Die Außenseite der Membran wird relativ zur Innenseite gesehen immer negativer. E1 ist in diesem Moment betragsmäßig größer als E2; es kommt also zum Abfall der Kurve. Daraus kann man schlussfolgern, dass das elektrische Organ in der Schwanzregion liegen muss, da die Schwanzregion ( also E1 ) zuerst innerviert wird. In diesem Abschnitt sind nur die ligandengesteuerten Natriumkanäle geöffnet, daher ist der Abfall der Kurve langsam. Wenn der entsprechende Schwellenwert überschritten wird, öffnen auch die spannungsgesteuerten Natriumkanäle und es kommt zu einem zusätzlichen starken Natriumeinstrom ins Zellinnere. Es wird also ein neues Aktionspotential ausgebildet. Diese Vorgänge sind als steilerer Abfall (c) auf der Grafik zu erkennen. Im Punkt (d) erreicht die negative Auslenkung ihr Maximum.
Durch die Depolarisation der schwanzseitigen Membran und die damit verbunden Ladungsänderungen im Inneren der Zelle wird der Schwellenwert auch für die kopfseitige Membran erreicht und überschritten. Die spannungsgesteuerten Natriumkanäle an dieser Membran öffnen sich ebenso und Natrium strömt ein. Damit ist auch der steile Kurvenanstieg (e) nach dem Maximum zu erklären. Gleichzeitig zur Depolarisation der kopfseitigen Membran kommt es zur Repolarisierung der schwanzseitigen. Für die Vorgänge an der Kopfseitigen Membran sind also keine synaptischen Einflüsse verantwortlich. Im Abschnitt (g) ist die komplette Repolarisation abgeschlossen und die Elektrozyte befindet sich wieder im Ruhezustand. Die negative Auslenkung ist kleiner als die positive, da die Repolarisation ( also das Öffnen der Kaliumkanäle ) bereits anfängt bevor die Depolarisation vollständig abgeschlossen ist. Die Spannungspotentiale werden dabei aufaddiert, was zu einer relativen Verkleinerung der negativen Auslenkung führt. Die Elektrozyten des Fisches werden in den verschieden Säulen des elektrischen Organs hintereinander geschaltet, damit sich die geringen Einzelspannungen zu einem größeren elektrischen Signal aufaddieren. Die einzelnen Säulen sind jedoch parallel geschaltet. Dadurch wird der Innenwiderstand des elektrischen Organs gering gehalten. Die Elektrozyten werden alle gleichzeitig innerviert. Damit das trotz verschiedener Nervenfasern möglich ist, werden die weiter kopfwärts liegenden in Schleifen gelegt.
(ii) Das elektrische Organ des Fisches ist ein Dipol. An der Schwanzseite des Körpers befindet sich ein sogenannter Punktpol. Man kann der Grafik entnehmen, dass die Potentiallinien hier konzentrisch angeordnet sind, und die Feldlinien alle in einem Punkt zusammentreffen. Der zweite, weiter kopfwärts liegende Pol wird als Feldpol bezeichnet. Hier ordnen sich die Potentiallinien immer mehr parallel an, während die Feldlinien nahezu senkrecht in den Pol eintreffen. Die Feldlinien stehen hier also auch senkrecht auf den Potentiallinien. Das vordere Feld wird als homogen bezeichnet, während das schwanzseitige Feld inhomogen ist. Durch das homogene Feld in der Bauchregion kann der Fisch Veränderungen in der Leitfähigkeit seiner Umwelt sofort wahrnehmen. Durch ein Objekt mit höherer Leitfähigkeit werden die Feldlinien zusammengestaucht, das heißt sie treffen dichter ( näher beieinander ) auf den Fischkörper auf. Durch ein Objekt mit niedrigerer Leitfähigkeit wird der Anstand der Feldlinien voneinander vergrößert. Sie haben also eine geringere Dichte. Durch den lang gezogenen Feldpol kann der Fisch die exakte Position des entsprechenden Objekts bestimmen, da die Feldlinien hier an vielen verschiedenen Stellen nebeneinander eintreffen. Beim schwimmen verändert der Fisch seine Längsachse nicht. Durch diese Schutzvorkehrung verhindert er, dass er sein elektrisches Feld selber stört.