Histologische Untersuchung der Mormyromasten verschiedener Hautregionen bei Gnathonemus petersii

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Die spezialisierten Sinnesorgane des Seitenliniensystems
1.2 Die Mormyromasten der Mormyriden
1.3 Die elektrorezeptive Epidermis und die Verteilung der Mormyromasten bei Gnathonemus petersii

2. Material und Methoden
2.1 Herstellung von Hautpräparaten
2.2 Fixierungen der Präparate
2.3 Herstellung der histologischen Präparate
2.3.1 Einbettung
2.3.2 Herstellung der Schnitte
2.3.3 Färbung der Schnitte
2.4 Auswertungen der histologischen Schnitte
2.4.1 Anfertigung der Photographien
2.4.2 Morphologische Untersuchung der elektrorezeptiven Epidermis und der Rezeptororgane
2.4.3 Vermessung der Rezeptororgane
2.4.4 Die statistischen Methoden

3. Ergebnisse
3.1 Morphologie der elektrorezeptiven Epidermis und der Mormyromasten bei Gnathonemus petersii
3.1.1 Die elektrorezeptive Epidermis
3.1.2 Der Aufbau der Mormyromasten
3.1.3 Die äußere Kammer der Mormyromasten
3.1.4 Die innere sensorische Kammer
3.1.5 Die A-Zellen der Mormyromasten
3.1.6 Die B-Zellen der Mormyromasten
3.1.7 Die Nervenfasern der Rezeptorzellen
3.2 Die Vermessungen der Rezeptororgane
3.2.1 Das gesamte Organ
3.2.2 Die elektrorezeptive Epidermis
3.2.3 Der obere Kanal der Mormyromasten
3.2.4 Die äußere Kammer
3.2.5 Die innere sensorische Kammer
3.2.6 Die A-Zellen
3.2.7 Die B-Zellen
3.3 Zusammenfassung der Ergebnisse aus den morphologischen Beobachtungen und den Vermessungen der Mormyromasten

4. Diskussion
4.1 Die elektrorezeptive Epidermis
4.2 Die Gesamtgröße der Mormyromasten
4.3 Die äußere Kammer der Mormyromasten
4.4 Die innere Kammer der Mormyromasten
4.5 Die Rezeptorzellen der Mormyromasten
4.6 Die neuronale Innervation der Sinneszellen
4.7 Fehlerdiskussion
4.8 Ausblick

5. Zusammenfassung

6. Danksagung

7. Literatur

1. Einleitung

Elektrische Fische sind schon seit vielen Jahrhunderten Objekte der Faszination. Der starkelektrische Zitterrochen (Torpedinidae) war bereits den Römern bekannt und wurde schon damals zur Elektroschocktherapie verwendet [Szabo 1976]. Aber auch die starkelektrischen Zitterwelse (Malapteruridae) und Zitteraale (Electrophorus electricus) sind nicht unentdeckt geblieben. Im 18. und 19. Jahrhundert beschäftigten sich viele Wissenschaftler, vor allem Physiker wie Faraday, mit diesem Phänomen [Szabo 1976]. Bereits 1773 veröffentlichte John Hunter eine detaillierte anatomische Beschreibung des elektrischen Organs von Torpedo spec. [Zupanc & Bullock 2005]. Es handelt sich dabei um umgewandelte Muskelfasern, die ihre kontraktile Funktion verloren haben. Diese abgeflachten und aufeinander gestapelten Zellen werden Elektrozyten genannt und sind in Reihe geschaltet, wobei ihre Anzahl von Art zu Art stark variieren kann. Starkelektrische Fische wie der Zitteraal können elektrische Entladungen von mehreren 100 Volt produzieren. Sie nutzen diese Starkströme vor allem für den Beutefang und zur Abwehr von Räubern.

Rätselhaft blieben den Wissenschaftlern jedoch diejenigen Fische, die ebensolche Strukturen aufwiesen aber keine messbaren Ströme produzierten, wie die mittelamerikanischen Messerfische (Gymnotidae) und die zentralafrikanischen Nilhechte (Mormyridae und Gymnarchidae). Erst 1951 lieferte Hans Lissmann den ersten Beweis elektrischer Aktivität am schwachelektrischen Gymnarchus niloticus (Gymnarchidae) [Lissmann 1951]. Doch wozu benötigen diese Tiere die schwachelektrischen Entladungen? Aufschluss darüber gaben Lissmann und Machin [1958]. Sie stellten die Hypothese über die aktive Elektroortung auf, die besagt, dass schwachelektrische Fische ein elektrisches Feld produzieren und mit Hilfe von speziellen Sinnesorganen Veränderungen in diesem elektrischen Feld wahrnehmen können. Diese Entladungen weisen Feldstärken von 0,1µV/cm bis 100mV/cm auf [Heldmaier & Neuweiler 2003]. Objekte, die in das elektrische Feld gelangen, verändern entsprechend ihrer Leitfähigkeiten den Verlauf der Feldlinien [Schlegel 1975]. Gute Leiter verdichten die Feldlinien und Isolatoren streuen sie. Verzerrungen des Feldes durch Objekte führen zu Veränderungen des transepidermalen elektrischen Stromflusses an entsprechenden Stellen der Hautoberfläche, wodurch dort ein „elektrisches Bild“ des Objektes entsteht [v. d. Emde & Schwarz 2001]. Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts fehlten jedoch die Beweise für entsprechende Sinnesorgane.

1.1 Die spezialisierten Sinnesorgane des Seitenliniensystems

Der Zoologe Viktor Franz berichtete in Folge seiner mikroskopischen Untersuchungen an den Mormyriden bereits 1920 über knollenartige Hautsinnesorgane [Franz 1920]. 1960 konnte Richard Murray zeigen, dass die 1678 von Lorenzini entdeckten Ampullen-Organe elektrorezeptiv sind [Murray 1960]. Kurz darauf beschrieb Thomas Szabo [1965] die spezialisierten Sinnesorgane des Seitenliniensystems der Gymnotiden, Gymnarchiden und Mormyriden. Aufgrund ihrer morphologischen Unterschiede teilte er diese Elektrorezeptoren in mehrere Gruppen ein. Bei den Gymnotiden lässt sich der Typ I (ampulläre Organe) vom Typ II (tuberöse Organe) unterscheiden (Abb.1.1).

Die ampullären Organe zeichnen sich durch eine Ampulle aus, die in die Epidermis eingelagert ist und die Ausstülpung am Ende eines Kanals darstellt. Es entsteht wie bei allen anderen Elektrorezeptoren eine Einsenkung der Basalmembran. Der Kanal ist mit einer gallertartigen Substanz gefüllt, verläuft durch die gesamte Epidermis und stellt durch eine Öffnung den Kontakt zur Hautoberfläche her [Szabo 1965]. Die Gallerte stellt dabei einen Widerstand (20 bis 30 Ω/cm2) dar, der geringer ist als der Widerstand der Haut (3 kΩ/cm2), wodurch elektrische Ströme an die Rezeptorzellen geleitet werden können [Heldmaier & Neuweiler 2003]. Bei den Gymnotiden befinden sich drei bis vier birnenförmige Zellen am Grund der Ampulle. Sie sind in eine Lage aus Stützzellen eingebettet. Nur ein kleiner apikaler Bereich der Zellmembran hat Kontakt mit dem Lumen der Ampulle. Jedes ampulläre Organ ist immer von einer einzelnen myelinisierten Nervenfaser innerviert. Diese Faser durchbricht die Basalmembran unterhalb des Organs und teilt sich in mehrere Äste auf. Jeder Ast innerviert über eine chemische Synapse eine Rezeptorzelle. Ampulläre Organe dienen der passiven Elektroortung, das heißt, sie nehmen die natürlichen elektrischen Felder anderer Organismen wahr, die beispielsweise aufgrund von Muskelaktivitäten oder der Atmung entstehen.

Die tuberösen Rezeptororgane der Gymnotiden unterscheiden sich wesentlich von den ampullären Organen. Sie sind, wie der Typ I, durch eine Einsenkung der Basalmembran in die Epidermis eingebettet. Diese Organe bilden ebenso eine Kammer aus, die von allen Seiten von Stützzellen und speziellen Epithelzellen begrenzt wird. Ein gravierender Unterschied zu den ampullären Organen ist der Stopfen aus Epithelzellen, der anstelle eines offenen Kanals oberhalb der Kammer liegt und den Kontakt zur Oberfläche herstellt. Die Zellen stehen dabei über zahlreiche Desmosomen in Kontakt. Dadurch erhalten sie eine hohe Leitfähigkeit, und elektrische Ströme können von der Oberfläche bis hin zu den Rezeptorzellen geleitet werden. Ein weiterer Unterschied findet sich in der Morphologie und Anzahl der Rezeptorzellen. Sie sind schlank, liegen größtenteils frei in der Kammer und haben nur mit einem kleinen basalen Teil der Zellmembran Kontakt zu den darunter liegenden Stützzellen. Die Anzahl an Rezeptorzellen kann von Art zu Art stark variieren. In den tuberösen Organen von Sternarchus spec. findet man 16 bis 35 Zellen und bei Electrophorus spec. 70 bis 90 [Szabo 1965]. Es gibt zwischen den einzelnen Arten einige morphologische Unterschiede, weshalb die tuberösen Organe nochmals unterteilt werden können. So bilden bei Electrophorus electricus die Rezeptorzellen eines Organs mehrere Cluster, die wiederum in separaten Kammern liegen [Szabo 1965]. Trotz dieser Unterschiede wird jedes Organ von einer einzigen myelinisierten Nervenfaser innerviert, die unterhalb des Organs durch die Basalmembran hindurch tritt und sich zu den Rezeptorzellen hin in einzelne Äste aufteilt. Die tuberösen Rezeptororgane dienen, entgegen den ampullären Organen, zum einen der aktiven Elektroortung. Sie reagieren auf transepidermale Potentialänderungen, die durch Veränderungen im elektrischen Feld hervorgerufen werden. Zum anderen werden sie bei der Elektrokommunikation eingesetzt. Dabei erkennen die entsprechenden Organe die von anderen elektrischen Fischen aktiv produzierten elektrischen Felder.

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1.2 Die Mormyromasten der Mormyriden

Neben den ampullären Rezeptororganen (Typ A oder Mormyromast Typ I) findet man bei den Mormyriden zwei Typen tuberöser Organe. Der Typ C oder auch die Franzschen Knollenorgane entsprechen den tuberösen Organen der Gymnotiden (Abb.1.2). Jede einzelne Rezeptorzelle ist hier jedoch nochmals separat eingekapselt. Diese Knollenorgane dienen ausschließlich der Elektrokommunikation, das heißt, sie nehmen die von anderen Organismen aktiv produzierten elektrischen Felder wahr [v. d. Emde & Heiligenberg 2001].

Der Typ B oder auch Cordier`s Mormyromast Typ II [Cordier 1937] ist eine Form der Elektrorezeptororgane, wie sie nur bei den Mormyriden zu finden ist [Szabo & Barets 1963 a, b]. Wie die tuberösen Organe, besitzen die heute als Mormyromasten bezeichneten Organe keinen offenen Kanal, sondern sind von Epithelzellen bedeckt, welche eine andere Struktur aufweisen als die übrigen Epidermiszellen. Sie sind vergrößert, liegen locker gepackt und stehen über zahlreiche Desmosomen in Verbindung. Die äußere Kammer ist, wie bei allen anderen elektrorezeptiven Organen, mit einer mucoiden Substanz gefüllt, die sich jedoch in der chemischen Zusammensetzung von der Substanz der ampullären Organe unterscheidet. Eine Besonderheit dieser Organe ist, dass sie eine weitere, tiefer liegende innere sensorische Kammer ausgebildet haben, die über einen Kanal mit der oberen verbunden ist. Außerdem besitzen sie zwei verschiedene Typen von Rezeptorzellen (Abb.1.2) [Szabo 1965, Szabo & Wersäll 1970].

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Die so genannten A-Zellen der Mormyromasten liegen in ein bis zwei konzentrischen Kreisen um die Basis der äußeren Kammer. Es sind meist fünf bis sieben Zellen pro Organ [Szabo 1974]. Sie sind flaschenförmig und stehen mit der apikalen Spitze in Kontakt mit der Kammer. Die Zellmembran ist frei von Mikrovilli. Laut Ergebnissen früherer Untersuchungen von Szabo [1974] können einige dieser Rezeptorzellen degeneriert sein. Normale und degenerierte Zellen kommen simultan innerhalb eines Organs vor. Auffällig sind auch die basal vorzufindenden großen Vesikel entlang der Zellmembran. Die A-Zellen haben ein eher dunkles und teilweise granuliertes Zytoplasma. Die Nebenzellen sind in zwei verschiedene Typen zu unterteilen. Die einen sind flaschenförmig mit hellem Zytoplasma. Sie umgeben die A-Zellen direkt und scheinen als Sekretionszellen für den in der äußeren Kammer enthaltenen Schleim zu dienen. Die anderen oval geformten Zellen separieren die A-Zellen voneinander und befinden sich größtenteils am basalen Ende der Rezeptorzelle [Szabo & Wersäll 1970, Szabo 1974].

Eine Besonderheit der A-Zellen stellt ihre Innervation dar. Sie werden meist von zwei Nervenfasern innerviert, die an den sich gegenüberliegenden Seiten des Organs durch die Basalmembran treten (Abb.1.3). Daraufhin zweigen sie sich zu den einzelnen Rezeptorzellen hin auf. Die synaptischen Endungen bilden einen fingerförmigen Kelch, der die gesamte Zelle umschließt [Bell et al. 1989].

Der zweite Rezeptorzelltyp (B-Zellen) befindet sich in der inneren sensorischen Kammer. Diese Zellen haben eine längliche Form und ihre Oberfläche ist mit zahlreichen Mikrovilli bedeckt. Sie liegen frei in der Kammer und stehen nur mit einem kleinen basalen Bereich der Zellmembran mit den akzessorischen Zellen in Kontakt. Es gibt bei Petrocephalus soudanensis meist zwei B-Zellen innerhalb eines Organs [McNamara, Denizot & Hopkins 2005]. Bei Gnathonemus petersii fanden Szabo und Wersäll [1970] zwei bis fünf B-Zellen pro Organ, die in einer Gruppe dicht beieinander stehen. Ihre Innervation gleicht nicht der der A-Zellen. Sie sind stets von einer einzelnen Nervenfaser innerviert, die sich zu den einzelnen Rezeptorzellen hin aufzweigt und eine einfache chemische Synapse bildet. Die sensorische Kammer ist ebenso wie die äußere Kammer mit einer schleimartigen Substanz gefüllt und stellt zusammen mit der subsensorischen Plattform aus den akzessorischen Zellen unterhalb der Kammer eine Einheit dar.

Bei den Mormyriden gibt es drei verschiedene Typen von Zellen innerhalb dieser Plattform. Zum Typ 1 gehören die fingerartig verzweigten Zellen, die die einzelnen Nervenäste umgeben. Zum zweiten Typ zählt man die flaschenförmigen Zellen mit klarem Zytoplasma. Ihr Hals ist auf die sensorische Kammer gerichtet. Sie dienen vermutlich der Schleimsekretion. Die flaschenförmig bis runden Zellen mit dunklem Zytoplasma stellen den dritten Typ dar. Sie sind die eigentlichen Stützelemente [Szabo 1974].

Die Mormyromasten dienen als tuberöse Rezeptororgane der aktiven Elektroortung. Dabei werden lebende Objekte, die kapazitive Widerstände aufweisen, von toten Gegenständen mit resistiven Widerständen unterschieden [v. d. Emde & Schwarz 2002].

1.3 Die elektrorezeptive Epidermis und die Verteilung der Mormyromasten bei Gnathonemus petersii

Zu den am besten erforschten und auch in dieser Arbeit untersuchten Individuen innerhalb der Mormyriden zählt der Elefantenrüsselfisch Gnathonemus petersii, der in den trüben Gewässern von Zentralafrika vorkommt. Er ist dämmerungs- bzw. nachtaktiv und lebt vor allem am Gewässergrund, wo er im sandigen Boden und zwischen der Vegetation nach Nahrung sucht, zum Beispiel Kriebelmückenlarven [Teugels et al. 1992]. Zu diesem Zweck hat diese Spezies eine speziell umgebildete Kinnregion, das Schnauzenorgan, ausgebildet. Mit seiner Hilfe werden Objekte und Oberflächen abgetastet und auf ihre elektrischen Eigenschaften hin untersucht [v. d. Emde & Schwarz 2002]. Mit seinen elektrosensitiven Eigenschaften gehört es, zusammen mit großen dorsalen und ventralen Bereichen des Rumpfes und dem gesamten Gesichtsfeld, zum elektrosensitiven System.

Bereits 1920 wurde von Viktor Franz aufgrund von mikroskopischen Untersuchungen an den Mormyriden festgestellt und 1968 von Wilhelm Harder nochmals detailliert für Gnathonemus petersii beschrieben, dass die Epidermis in den Bereichen des elektrosensitiven Systems strukturelle Besonderheiten aufweist. Harder bezeichnete sie daher als „Elektrorezeptor-Epidermis“. Dem liegt eine besondere Morphologie der Epidermiszellen zugrunde.

Die Haut von Gnathonemus petersii besteht aus vier verschiedenen Zellschichten (Abb.1.4) [Franz 1920, Szabo 1965, 1974, Harder 1968]. Begrenzt von der Basalmembran wird die innerste Schicht als Keimschicht bezeichnet (a). Sie wird aus einer Lage zylindrischer Zellen gebildet. Die folgende Schicht ist das Stratum spinosum (b). Das sind ein bis zwei Lagen aus polygonalen Zellen, die an die dritte Schicht aus abgeflachten, sehr dicht gepackten polygonalen Zellen (c) angrenzen. Diese horizontal orientierten Zellen bilden bis zu acht Lagen. Den Kontakt zur Oberfläche hat die Deckschicht (d) [Szabo 1965, 1974]. Sie besteht aus hexagonalen Zellen, die in Form eines Mosaiks angeordnet sind. Im Bereich eines Rezeptororgans sind die Epidermiszellen konzentrisch um das Organ angeordnet und senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet [Szabo and Wersäll 1970].

Die Besonderheit der elektrorezeptiven Epidermis ist, dass sie aus so genannten Plättchensäulen aufgebaut ist [Franz 1920, Szabo and Wersäll 1970]. Sie erstrecken sich von der Basalmembran bis zur Hautoberfläche und werden aus 50 bis 60 Untereinheiten gebildet. Die Säulen sind in Abb.1.4 durch dunkle Abgrenzungen erkennbar. An diesen Stellen treffen viele eng gepackte Zellen aufeinander, wodurch die Zellmembranen dicht zusammen liegen und scheinbar eine durchgehende Membran bilden. Diese strukturelle Anordnung der Epithelzellen ist nur im Bereich der elektrorezeptiven Epidermis zu finden.

Die Verteilung der verschiedenen Elektrorezeptortypen gestaltet sich bei Gnathonemus petersii unterschiedlich. Die ampullären Organe und die Knollenorgane treten nicht so häufig auf wie Mormyromasten [Harder 1968, v. d. Emde & Schwarz 2002]. Ampulläre Organe sind gleichmäßig über die ventrale und dorsale Seite des Rumpfes verteilt und verhäuft in der Nasalregion zu finden. Knollenorgane konzentrieren sich vor allem am Hinterkopf und der Kehlgegend. Einige finden sich auch um die Nasenöffnungen. Im Rücken- und Bauchbereich sind sie vor allem an den Rändern der elektrorezeptiven Epidermis angesiedelt [Harder 1968]. Beide Organtypen sind bisher nicht in der Haut des Schnauzenorgans gefunden worden.

Die Mormyromasten sind bei Gnathonemus petersii verschieden dicht über die elektrorezeptive Epidermis verteilt (Abb.1.5). Das Rückenfeld, welches sich oberhalb der Seitenlinie erstreckt, weist eine regelmäßige und lockere Verteilung von ein bis zwei Mormyromasten pro Quadratmillimeter auf. Die Anzahl an Mormyromasten steigt im Kopffeld, im Bereich des Mauls und um die Nasenöffnungen auf drei bis vier Rezeptororgane pro Quadratmillimeter an [v. d. Emde & Schwarz 2002]. Neueste Zählungen haben ergeben, dass es in der Mitte der Nasalregion, oberhalb des Mauls, eine in einem schmalen Streifen angeordnete erhöhte Ansammlung an Mormyromasten gibt. Die Zahl steigt hier auf bis zu zehn Organe pro Quadratmillimeter an. Die höchste Dichte findet sich in der Haut des Schnauzenorgans. Hier liegen bis zu 65 Rezeptororgane auf einem Quadratmillimeter, wobei die Dichte von der Spitze des Rüssels bis zur Basis rapide abnimmt (M. Hollmann, pers. Mitteilung).

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Abb.1.5: Verteilung der Mormyromasten bei Gnathonemus petersii. Zur Bestimmung der Verteilung der Mormyromasten wurde die Haut von Rücken und Kopf an der Seitenlinie abgetrennt, ausgebreitet und die Mormyromasten gezählt. Jeder Punkt in der Darstellung bezeichnet ein Rezeptororgan. Die blauen Punkte markieren die Nasenöffnungen [v. d. Emde & Schwarz 2002, Harder 1968].

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1.4 Zwei elektrorezeptive Foveae am Kopf von Gnathonemus petersii

Im Zusammenhang mit dem hohen Aufkommen an Mormyromasten scheint der Nasalregion und dem Schnauzenorgan eine besondere Rolle bei der aktiven Elektroortung zuzukommen. Dafür sprechen auch die geometrischen Eigenschaften des elektrischen Feldes. Es ist dipolar und breitet sich dreidimensional um die Schwanzflosse und den Rumpf des Fisches aus. Die Flussdichte der Feldlinien ist im Schnauzen- und Stirnbereich am höchsten. Veränderungen im elektrischen Feld, die durch Objekte hervorgerufen werden, die sich vor oder seitlich des Kopfes befinden, werden vor allem von den Rezeptororganen in der Nasalregion erkannt. Damit ergibt sich hier ein Wahrnehmungswinkel von ca. 180°, der auf einem relativ kleinen Bereich der Körperoberfläche abgebildet wird. In Verhaltensexperimenten zur Objekterkennung konnte ebenfalls demonstriert werden, dass sich Gnathonemus petersii bei der Präsentation von Objekten in gewisser Entfernung immer so ausrichtet, dass jene Objekte vorrangig die Nasalregion beeinflussen [v. d. Emde & Schwarz 2001]. Dabei nimmt der Kopf immer eine Stellung von ca. 45° in Richtung Boden ein. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass diese Spezies vor allem das Schnauzenorgan gezielt bei der Objekterkennung auf nahe Distanzen einsetzt. Es wird beim Heranschwimmen an ein Objekt sakkadenartig hin und her bewegt, ähnlich einer Antenne [v. d. Emde & Bleckmann 1998]. Diese Verhaltensweise erinnert an die Bewegungen des Auges beim Fixieren eines Objektes. Damit lassen sich, im Hinblick auf die Rezeptordichte der beiden Körperregionen und auf die Verhaltensspezialisierungen, erste Vergleiche mit der Fovea des Wirbeltierauges anstellen. Weiteren Anlass dazu gibt die Repräsentation der beiden elektrorezeptiven Körperregionen im Gehirn, welche mit steigender Rezeptorzahl pro Quadratmillimeter Haut zunimmt. Die Rezeptorzellen werden von Neuronen des peripheren Seitenlinienganglions (LLG) innerviert, welche in den ELL (electrosensory lateral line lobe) des Nachhirns projizieren [Heldmaier & Neuweiler 2003]. Zusammen nehmen die Nasalregion und das Schnauzenorgan dort ca. 50% der Fläche ein, obwohl sie nur 15% der Fläche der gesamten elektrorezeptiven Epidermis ausmachen [v. d. Emde & Schwarz 2001, 2002]. Auch hier lassen sich Parallelen zum Wirbeltierauge ziehen. Der Ort des schärfsten Sehens, die Fovea centralis, stellt im Auge nur einen sehr kleinen Bereich der gesamten Retina dar, ist im Gehirn aber deutlich überrepräsentiert.

Aufgrund der Spezialisierungen der Nasalregion und des Schnauzenorgans haben G. von der Emde und S. Schwarz [2002] die Hypothese über die Existenz zweier elektrischer Foveae am Kopf von Gnathonemus petersii aufgestellt. Sie umfasst vor allem die oben aufgeführten morphologischen Besonderheiten der Nasalregion und des Schnauzenorgans, die mit den funktionalen Spezialisierungen einhergehen. Dies führte zu einer weiteren Hypothese, und zwar über zwei unterschiedliche Mechanismen: (1) Ein Leitungs- und Detektionssystem auf größere Entfernung (Nasalregion), wobei der auffällig große Detektionsbereich und die besondere Stellung des Kopfes und damit die gezielte Ausrichtung der Nasalregion bei der Futtersuche gemeint ist, und (2) ein Identifizierungssystem für die Erkennung von Nahrungsobjekten bei nahen Distanzen (Schnauzenorgan). Das bezieht sich auf das gezielte Untersuchen von Objekten mit Hilfe des Schnauzenorgans, wobei Gegenstände genau auf ihre elektrischen Eigenschaften hin erforscht werden.

Für die Erkennung und Identifizierung von Objekten wie Nahrung bilden bei den Mormyriden im Zuge der aktiven Elektroortung die Mormyromasten das eigentliche sensorische System. Im Hinblick auf die spezialisierten Hautregionen wurden diese Rezeptororgane jedoch noch nicht eingehend betrachtet.

Ziel dieser Arbeit war daher, die Mormyromasten der Nasalregion und des Schnauzenorgans hinsichtlich der anatomischen und funktionalen Spezialisierung der beiden Körperbereiche zu untersuchen. Es stellte sich die Frage, wie die Mormyromasten dieser Regionen aufgebaut sind und wie groß die Rezeptororgane und die in ihnen angeordneten Rezeptorzellen im Einzelnen sind. Außerdem sollte geklärt werden, ob es im Hinblick auf die unterschiedlichen Funktionen der beiden Körperstellen bei der Elektrorezeption und Elektroortung strukturelle Besonderheiten gibt.

Dazu wurden aus beiden Bereichen Hautproben entnommen und auf ihre anatomischen Eigenschaften hin überprüft und vermessen. Da sich frühere Untersuchungen vorrangig mit den Mormyromasten der dorsalen und ventralen Bereiche des Rumpfes beschäftigten und dadurch eindeutige Ergebnisse im Bezug auf die Anatomie der dortigen Rezeptororgane vorlagen, wurden als Vergleichs- und Referenzmaterial zusätzlich Hautproben aus dem oberen Rückenbereich entnommen. Außerdem wird diesem Bereich keine fovea-ähnliche Funktion zugesprochen.

2. Material und Methoden

2.1 Herstellung von Hautpräparaten

Für die Anfertigung der Hautpräparate wurde ein adultes Tier der Spezies Gnathonemus petersii verwendet. Da bisher noch keine erfolgreiche Züchtung dieser Art möglich war, wurde das Versuchstier im Großhandel eingekauft (Aquarium Glaser GmbH, Rodgau). Das Tier stammte aus westafrikanischen Gewässern. Vor der Präparation der Hautstücke wurde das Tier betäubt und getötet. Für die Betäubung wurde der Fisch in eine 0,15%ige Lösung des Anästhetikums MS-222 (Ethyl-3-Aminobenzoat-Methansulfonat, Acros Organics, New Jersey) gelegt. Nachdem das Tier bewegungslos war und die Atmung stillstand, wurde die 2%ige MS-222-Stammlösung direkt in die Leibeshöhle injiziert und das Tier getötet. Vor der Präparation der Fischhaut in einer 0,1 M Phosphatpufferlösung mit einem pH-Wert von 7,4 bis 7,6 (Rezept siehe unten) wurde das Tier gewogen, sowie die Standardlänge (SL) und die Länge des Schnauzenorgans gemessen. Die Standardlänge bezieht sich dabei auf die Länge von der Schnauzenbasis bis zur Basis der Schwanzflossenstrahlen.

Rezept für die 0,1 M Phosphatpufferlösung:

Für 1000 ml destilliertes Wasser

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei der Präparation der Fischhaut wurden je zwei bis drei Proben aus dem vorderen Rückenbereich und der Stirnregion entnommen. Die Hautstücke waren maximal 9 mm2 groß und 1 mm dick. Das Schnauzenorgan wurde in vier gleichgroße Stücke quer geschnitten (Abb.2.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.1: Die drei Hautregionen von Gnathonemus petersii.

2.2 Fixierungen der Präparate

Die erste Fixierung wurde direkt nach der Präparation der Hautstücke durchgeführt. Diese wurden in 2%ige Glutaraldehyd-Lösung eingelegt (0,1 M Phosphatpuffer, 50%ige Glutaraldehyd-Lösung, Roth) und über Nacht im Kühlschrank bei 4°C fixiert. Die Immersionsfixierung mit Glutaraldehyd führt zu einer dichten und stabilen Vernetzung der Proteine und damit zum Erhalt der Zellstruktur [Romeis 1989]. Im Anschluss wurden die Proben mit der 0,1 M Pufferlösung drei mal zehn Minuten gewaschen und bei 4°C kühl gestellt.

Danach fand die zweite Fixierung statt. Hierfür wurde 1%ige Osmiumtetraoxid- Lösung (2%ige Osmiumtetraoxid-Lösung und 0,1 M Phosphatpuffer) [Romeis 1989] verwendet. Die Proben wurden ein bis zwei Stunden bei 0°C in Eis kühl gehalten (Tab.2.1). Das Nachfixieren mit Osmium dient zusätzlich dem Erhalt der Zellstruktur, und es wird im weiteren Verlauf der Einbettung verhindert, dass die Zellbestandteile schrumpfen. Außerdem dient die Fixierung mit Osmium der Kontrastierung, das heißt, der unterschiedlichen Färbung der Zellbestandteile. Besonders die lipidreichen Organellen lassen sich daraufhin mit basischen Farbstoffen anfärben [Romeis 1989].

Für die folgende Einbettung mussten die Proben entwässert werden. Dazu wurde eine Alkoholreihe mit 70, 80, 90 und 100%igem Ethanol (Roth) durchgeführt. Die genauen zeitlichen Abläufe sind der Tab.2.1 zu entnehmen.

2.3 Herstellung der histologischen Präparate

2.3.1 Einbettung

Die Einbettung erfolgte mit dem Einbettungsgemisch nach Spurr [1969] nach dem Rezept für Spurr Resin Testkit von Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Steinheim [verändert nach J.-P. Denizot, Gif-sur-Yvette, Frankreich]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zu Beginn wurden die entwässerten Proben in Spurr resin und 100%igen Ethanol in einer Mischung 1:5 eingelegt und mit Hilfe eines selbstgebauten Schüttelgeräts langsam geschüttelt. Das Mischungsverhältnis des Einbettungsmediums wurde in einem fünf Stunden-Takt schrittweise erhöht (siehe Tab.2.1). Zum Abschluss der Einbettung wurden die Hautstücke einzeln in eine Silikonkautschuk-Flachbett-Gießform (Roth) überführt, für Querschnitte (sagittal) ausgerichtet und mit dem reinen Einbettungsmedium überdeckt. Die Polymerisation des Mediums erfolgte bei 70°C im Wärmeschrank für 24 bis 48 Stunden.

Das in dieser Arbeit verwendete Medium ist niederviskos und dient damit besonders der Einbettung sehr fester, kompakter und dadurch schwer durchdringbarer Elemente wie Knochen und Knorpel. Die Haut von Gnathonemus petersii wird durch die Fixierung mit Glutaraldehyd sehr hart und schwer durchdringbar, weshalb die Wahl auf das verwendete Medium fiel.

2.3.2 Herstellung der Schnitte

Für die Herstellung der Schnitte wurden ideale Schnittflächen mit Hilfe von Rasierklingen (Wilkinson) getrimmt und die Harzblöcke am Mikrotom (Microm HM 355) mit dem Diamantmesser (Histo HI 3683) geschnitten. Es entstanden Serienschnitte von 1 µm Dicke, die in mehreren Reihen in Wassertropfen auf spezielle Objektträger gebracht wurden (Polysine Menzel-Gläser). Diese Objektträger sind mit einer besonderen „Adhäsions–Technik“ behandelt, wodurch sie histologische Schnitte elektrostatisch und chemisch anziehen und dadurch eine starke und schnelle Anheftung der Schnitte ermöglichen. Zur optimalen Anheftung und zur Glättung der Schnitte wurden diese auf einer Heizplatte bei 70°C bis 80°C langsam für mindestens zehn Minuten getrocknet.

2.3.3 Färbung der Schnitte

Die getrockneten Schnitte wurden mit Hilfe von Toluidinblau O direkt auf der Heizplatte bei 70°C bis 80°C gefärbt. Dazu wurde die gefilterte 0,1%ige Stammlösung auf die Objektträger auf der Heizplatte aufgetragen und für fünf bis sechs Minuten stehen gelassen. Die Objektträger wurden im Anschluss mit destilliertem Wasser abgespült und erneut auf der Heizplatte getrocknet.

Rezept der Toluidinblau O Stammlösung:

10g Borax (Na2B4O7, Riedel-De Haen AG, Seelze-Hannover)

in 1 l destilliertem Wasser lösen

1g Toluidinblau (Chroma-Gesellschaft)

Alle basophilen und osmiophilen Strukturen werden angefärbt. Die osmierten Strukturen stellen sich dabei verschiedenfarbig dar (Neutralfett färbt sich grün, metachromatische Strukturen, zum Beispiel Polysaccharide, färben sich rotviolett) [Romeis 1989].

2.4 Auswertungen der histologischen Schnitte

2.4.1 Anfertigung der Photographien

Für die Dokumentation und Auswertung wurden die Serienschnitte unter dem Lichtmikroskop (Leica DMLB) bei einer 20fachen Vergrößerung betrachtet und mit Hilfe einer Digitalkamera (Canon EOS 300D), die auf den Tubus des Mikroskops aufgesetzt wurde, photographiert. Die Digitalphotos wurden am Computer mit Adobe Photoshop 6.0 bearbeitet, das heißt, hinsichtlich der Helligkeit und des Kontrastes optimiert.

Tab.2.1 : Arbeitsschritte zur Probenherstellung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.4.2 Morphologische Untersuchung der elektrorezeptiven Epidermis und der Rezeptororgane

Bei der mikroskopischen Untersuchung der Hautproben wurde auf Besonderheiten in der Anatomie der Epidermis und der Rezeptororgane geachtet, zum Beispiel Auffälligkeiten in der Form, Anordnung und Struktur der Epidermiszellen, besonders der Zellen des oberen Kanals. Außerdem wurden anatomische Unterschiede der Rezeptorzellen sowie Unterschiede im Aufbau der beiden Kammern dokumentiert.

Für eine genauere Beurteilung der Ergebnisse wurden zusätzlich die A- und B-Afferenzen betrachtet und gezählt, um festzustellen, wie viele der jeweiligen Afferenzen innerhalb eines Organs bei den drei zu untersuchenden Regionen vorkommen.

2.4.3 Vermessung der Rezeptororgane

Für die Vermessungen wurden aus jeder zu untersuchenden Region (Schnauzenorgan, Nasalregion, Rückenregion) vier Rezeptororgane vermessen. Die Mormyromasten aus dem Schnauzenorgan entstammten aus der Spitze des Rüssels und diejenigen der Nasalregion aus Bereichen oberhalb der Nasenöffnungen. Die Organe der Rückenregion wurden dem vorderen Rückenbereich entnommen.

Die Vermessungen der Rezeptororgane wurden am Computer mit dem Programm Image J (Version 1,34s; National Institutes of Health, USA; http://rsb.info.nih.gov/ij/download.html) durchgeführt. Das Programm musste vor einer Messreihe entsprechend der Vergrößerung der Bilder geeicht werden. Vor jeder Photoreihe wurde daher eine Skala mit definierter Größe mit gleicher Vergrößerung wie die darauf folgenden Bilder photographiert, zu Beginn jeder Reihe gemessen und als Maßeinheit übernommen.

Die Struktur der Organe ist insgesamt unregelmäßig, das heißt, es liegen keine geometrisch exakten Formen vor, weshalb als zu vergleichende Größen die Breiten und Längen der einzelnen Komponenten gemessen wurden.

Die Gesamtbreite erstreckt sich über den gesamten Bereich der akzessorischen Zellen, die das Organ umgeben. Die Gesamtlänge des jeweiligen Organs bezeichnet die Länge von der Hautoberfläche bis zur Organbasis unterhalb der subsensorischen Plattform. Die Breite bzw. der Durchmesser des oberen Kanals kennzeichnet die äußerste Begrenzung des Kanals und nicht die eigentliche Pore. Dabei stellen die Plättchensäulen, die das Organ direkt umgeben, die Begrenzung dar [Franz 1920]. Einen weiteren wichtigen Bestandteil bilden die beiden Kammern (äußere und innere Kammer) und die einzelnen Rezeptorzellen, die ebenfalls in Breite und Länge erfasst wurden. Die Breite der jeweiligen Rezeptorzelle erstreckt sich von der rechten bis zur linken Seite und die Länge der Zellen von der basalen Zellmembran bis zur apikalen Spitze. Da die Rezeptororgane aus verschiedenen Hautregionen stammen, wurde auch die Dicke der Epidermis gemessen. Die Dicke bezieht sich hierbei aber nur auf die Epidermisschichten c und d. Diese sind im Vergleich zu den beiden unteren Schichten a und b regelmäßig und deutlich zu erkennen. Dadurch bieten sie sich als Vergleichsmerkmal an. In Abb.2.2 sind einzelne Parameter veranschaulicht.

Die Messungen wurden in Mikrometer vorgenommen. Alle Schnitte und die darin zu findenden Strukturen wurden einmal gemessen und die Ergebnisse jeweils in einem Punktdiagramm graphisch dargestellt. Über die Messpunkte wurde eine Anpassungskurve gelegt und die Punkte, die sich um den Maximalwert der Kurve bewegten, bestimmt. Je nach gemessenem Parameter lagen vier bis fünfzehn der Werte in dem Bereich des Maximalwertes der Kurve. Diese wurden weitere viermal gemessen. Da es sich um normal verteilte Daten handelte, wurden aus den fünf erhaltenen Messwerten Mittelwerte gebildet. Die wiederholten Messungen wurden aufgrund eines bestehenden Messfehlers durchgeführt, der bei größeren Strukturen, wie dem Gesamtorgan, im Bereich von 1-2 µm und bei kleineren Strukturen, wie den Rezeptorzellen, im Bereich von 0,1-1 µm lag. Die Mittelwerte wurden wiederum in einem Punktdiagramm dargestellt und aufgrund der Streuung der Messwerte eine Regressionskurve durch die Messpunkte gelegt. Über die Gleichung der Kurve wurde der Maximalwert der Kurve errechnet und als Maximalwert über die Messungen des jeweiligen Parameters angenommen. Als Beispiel sind in Abb.2.3 und 2.4 die Punktdiagramme für die Messwerte der Breite und Länge der äußeren Kammer des zweiten Rezeptors aus der Nasalregion dargestellt.

2.4.4 Die statistischen Methoden

Zu Beginn wurden alle Daten auf Normalverteilung überprüft. Die Messwerte aus den fünf Wiederholungen waren normal verteilt, ebenso die Mittelwerte. Die aus den Regressionskurven der Mittelwerte errechneten Maximalwerte waren aufgrund der geringen Strichprobengrößen nicht normal verteilt. Für den Gesamtvergleich der drei untersuchten Hautregionen wurde daher der Kruskal-Wallis-Test für den Vergleich von mehr als zwei unabhängigen Strichproben angewendet und die Daten beidseitig getestet. Die statistische Auswertung wurde mit Hilfe des Programms SPSS 12.0 für Windows (SPSS Inc.) durchgeführt.

Sind im Gesamtvergleich Signifikanzen festgestellt worden, wurden paarweise Vergleiche mit Hilfe des Tukey-Test nach Nemenyi, durchgeführt. Das ist ein Posthoc-Test für multiple Vergleiche von Stichproben mit gleicher Stichprobengröße. Bei ungleichen Stichprobengrößen wurde ebenfalls ein Typ des Tukey-Tests durchgeführt. Beide Varianten wurden per Hand gerechnet [Zar 1999]. Bei allen statistischen Auswertungen lag das Signifikanzniveau α bei 0,05.

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Abb.2.2: Mormyromast in der Haut des Schnauzenorgans. Die hellgrünen Pfeile kennzeichnen die vier Epidermisschichten (a Keimschicht, b Stratum spinosum, c mehrere Zellschichten aus abgeflachten polygonalen Zellen, d Deckschicht). Die gelben Pfeile kennzeichnen die Breite und Länge von äußerer Kammer (ä Ka) und innerer Kammer (i Ka) (Breite = parallel zur Oberfläche, Länge = senkrecht zur Oberfläche). Die dunkelgrünen Pfeile zeigen die Breite und Länge des gesamten Organs und die kleinen rosa Pfeile die Pättchensäulen, die den oberen Kanal begrenzen. Az A-Zellen, Bz B-Zellen.

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Abb.2.3: Erster Messdurchgang bei der äußeren Kammer von Rezeptor 2 aus der Nasalregion. Gemessen wurden die Breite und Länge der äußeren Kammer (ä Ka) von Rezeptor 2 aus der Haut der Nasalregion (NRR2). Die roten Balken kennzeichnen den Bereich, in dem sich die Werte um den Maximalwert befinden. Diese Werte wurden insgesamt fünf Mal gemessen und gemittelt (siehe Abb.2.4). Die Schnittnummer bezeichnet den jeweiligen Schnitt der Photoreihe.

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Abb.2.4: Zweiter Messdurchgang bei der äußeren Kammer von Rezeptor 2 aus der Nasalregion. Gemessen wurden die in Abb.2.3 eingegrenzten Messpunkte (rote Balken) weitere vier Mal. Aus den fünf Werten wurden Mittelwerte gebildet. Über die Gleichung der Kurve wurde ihr Maximalwert berechnet.

3. Ergebnisse

3.1 Morphologie der elektrorezeptiven Epidermis und der Mormyromasten bei Gnathonemus petersii

3.1.1 Die elektrorezeptive Epidermis

Typisch für alle elektrorezeptiven Sinnesorgane des Seitenliniensystems ist, dass sie tief in die so genannte elektrorezeptive Epidermis eingebettet sind, so auch die Mormyromasten bei Gnathonemus petersii. In den Abbildungen 3.1 A bis F sind Querschnitte durch die Haut der drei untersuchten Hautregionen dargestellt. In jedem dieser Schnitte ist ein Mormyromast quer geschnitten. Es wird deutlich, dass diese Organe in der eingesenkten Basalmembran liegen und von den verschiedenen Epithelzellen der vier Epidermisschichten begrenzt werden. Diese sind in allen Schnitten eindeutig voneinander zu unterscheiden. Der prinzipielle Aufbau der Epidermis, das heißt, die Unterteilung in vier verschiedene Schichten, und die Form der dazugehörigen Epithelzellen sind in allen drei Bereichen gleich (Abb.2.1). Hinsichtlich der Dicke der Schichten und der strukturellen Anordnung der Zellen gibt es jedoch zwischen den einzelnen Hautregionen Unterschiede.

Die Epidermis wird zum darunter liegenden Corium hin immer durch die Basalmembran abgegrenzt. Die innerste Schicht (Keimschicht, (a)) der Epidermis liegt der Basalmembran direkt auf und wird von einer Lage zylindrischer Zellen gebildet. Diese sind beim Schnauzenorgan und den anderen beiden Regionen ähnlich groß. Die ovalen Zellkerne liegen zentral in den Zellen und sind ebenfalls sehr groß. Die Keimschicht liegt beim Schnauzenorgan im Vergleich zur Nasal- und Rückenregion tiefer. Sie befindet sich unterhalb der subsensorischen Plattform. Im Nasal- und Rückenbereich verläuft sie wie beim Schnauzenorgan parallel zur Oberfläche, liegt aber auf der Ebene der inneren Kammer, nicht unterhalb des Organs (Abb.3.1 C-F).

Die zweite Schicht (Stratum spinosum, (b)) wird bei allen drei Hautregionen von polygonalen Epithelzellen gebildet. Sie weisen einen großen ovalen und zentral gelegenen Zellkern auf. Beim Schnauzenorgan besteht das Stratum spinosum aus bis zu acht Zelllagen und umschließt vor allem den unteren Bereich der Mormyromasten, das heißt, zum Teil die A-Zellen und die dazugehörigen akzessorischen Strukturen, die innere Kammer und die subsensorische Plattform (Abb.3.1 A+B). Diese Schicht liegt wie die Keimschicht tief in der Haut. Das Stratum spinosum und die Keimschicht bieten unterhalb der Plattform für den Durchgang der Nervenfasern große Zwischenräume (Abb.3.1 B). Das Stratum spinosum ist im Nasal- und Rückenbereich nicht so stark ausgeprägt. Hier besteht es aus maximal drei Zellschichten. Diese Zellen sind in ihrer Form und Größe denen des Schnauzenorgans gleich gestaltet. Zwischen den Zellen kommen jedoch einige Freiräume vor, wodurch sie lockerer gepackt sind. Bei Mormyromasten der Nasal- sowie Rückenregion ist zu beobachten, dass das Stratum spinosum auf der Ebene des unteren Kanals verläuft, der die beiden Kammern miteinander verbindet (Abb.3.1 C-F).

Die dritte Schicht der elektrorezeptiven Epidermis (c) wird von abgeflachten polygonalen Zellen gebildet. Diese haben eine längliche Form und weisen einen ovalen, abgeflachten und zentrierten Zellkern auf (Abb.3.6 B). Sie liegen parallel zur Hautoberfläche. Beim Schnauzenorgan ist diese Schicht sehr stark ausgeprägt, das heißt, sie ist im Vergleich zur Deckschicht von enormer Dicke. Die Zellen umgeben die kleine äußere Kammer und die A-Zellen mit ihren akzessorischen Strukturen. Je tiefer die Zellen dieser Schicht liegen, desto mehr wölben sie sich hier in Richtung Corium. Sie ragen dadurch bis zur inneren sensorischen Kammer hinunter (Abb.3.1 A+B). Bei der Nasalregion ist diese Schicht ebenso stark ausgeprägt. Sie umgibt auch hier einen Großteil der äußeren Kammer. Die Zellen wölben sich in der Tiefe jedoch nicht in Richtung Corium. Sie verbleiben in der ausgestreckten horizontalen Lage. Außerdem umschließen sie nicht die A-Zellen, sondern grenzen diese, wie die innere Kammer und die subsensorische Plattform, nach oben hin ab (Abb.3.1 C+D). Einen Unterschied dazu stellt die dritte Schicht der Rückenregion dar. Sie ist nicht so stark ausgeprägt und umschließt nur die Hälfte der äußeren Kammer. Auch hier bilden diese Epithelzellen eine Abgrenzung für die A-Zellen in Richtung Oberfläche. Die Rezeptorzellen, die innere Kammer und die subsensorische Plattform befinden sich wie bei der Nasalregion unterhalb dieser Schicht. Ein weiterer Unterschied zu den anderen Hautregionen besteht darin, dass sich die tiefer gelegenen Epithelzellen, also die Zellen im Grenzbereich zum Stratum spinosum, in Richtung Deckschicht wölben. Dadurch entstehen große Zwischenräume. Die Epithelzellen beider Schichten sind nur an den Plättchensäulen miteinander verbunden (Abb.3.1 E+F).

Die Deckschicht der Epidermis (d) ist bei allen untersuchten Bereichen des Fischkörpers gleich gestaltet. Die Epithelzellen sind relativ groß mit zentrierten Zellkernen. Sie treten wie bei allen anderen Epithelzellen aufgrund der Färbemethode blau hervor. Die Zellen sind vertikal quer geschnitten und zeigen eine polygonale Form. Sie liegen eng gepackt zwischen den Rezeptororganen. Oberhalb der Organe, das heißt, direkt über der äußeren Kammer, sind sie jedoch locker gepackt. Es entsteht ein „Zellstopfen“ oberhalb des Organkomplexes. Dieser Bereich entspricht etwa der Gesamtbreite des Organs, das heißt, er wird von den direkt um das Organ liegenden Plättchensäulen begrenzt und bildet dadurch den oberen Kanal. Dieser erscheint bei den Mormyromasten des Schnauzenorgans schmaler als bei den Organen der anderen beiden Regionen. Besonders auffällig sind weiterhin die Epithelzellen, welche die äußere Kammer umschließen und direkt darüber liegen. Sie sind meist stark vergrößert. Typisch für alle drei untersuchten Hautbereiche ist, dass sich die Epidermiszellen der Schichten c und d in der direkten Umgebung der Organe in Richtung der inneren Kammer verlagern. Einige stehen dadurch senkrecht zur Oberfläche. Außerdem weisen sie kaum bzw. keine Zwischenräume auf. Die Membranen liegen hier dicht beieinander. Dasselbe gilt für die Epithelzellen, die die Wände der beiden Kammern und des Kanals dazwischen bilden. Sie sind kleiner als die übrigen Epidermiszellen und ihre Membranen stoßen lückenlos aneinander. Die Wände der Kammern und des Kanals sehen dadurch in den Präparaten sehr dunkel gefärbt aus und es scheint, als würden die mit Gallerte gefüllten Räume durch eine einheitliche Membran von den umgebenen Zellen abgegrenzt werden.

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Abb.3.1 A-F: Querschnitte durch die elektrorezeptive Epidermis mit Mormyromasten. A+B Hautpräparat aus dem Schnauzenorgan, C+D aus der Nasalregion, E+F aus der Rückenregion, Az A-Zelle, BM Basalmembran, Epidermisschichten (a-d, Vergleich Abb.2.2), K unterer Kanal, ä Ka äußere Kammer, i Ka innere Kammer, n Nervenfaser, SP subsensorische Plattform, ZR Zwischenraum.

3.1.2 Der Aufbau der Mormyromasten

Der prinzipielle Aufbau der Mormyromasten ist in allen drei Hautregionen gleich. Als Beispiele sind in Abb.3.2 A+B Querschnitte von Mormyromasten aus der Haut der Nasal- und Rückenregion dargestellt. Die Organe bestehen aus zwei sensorischen Kammern, die über einen kleinen Kanal miteinander verbunden sind (Abb.3.2 A). Die äußere als auch die innere Kammer sind mit einer gallertartigen Substanz gefüllt, die in den Schnittpräparaten aufgrund der Fixier- und Färbemethode rosa bis violett-schwarz in der äußeren Kammer und hell- bis dunkelblau in der inneren Kammer gefärbt ist. Die Wände der Kammern und des dazwischen liegenden Kanals werden von speziellen dicht gepackten Epithelzellen gebildet. Die Innenseiten der Kammer- und Kanalwände sind dadurch in den Schnitten dunkelblau gefärbt. Die Kammern sind jeweils mit einem eigenen Rezeptorzelltyp assoziiert. Die A-Zellen liegen in ein bis zwei konzentrischen Kreisen um den kleinen Kanal und um die Basis der äußeren Kammer. Sie sind von mehreren Neben- bzw. Stützzellen umgeben und stehen mit der apikalen Spitze in Kontakt mit der Kammer. Es gibt dabei zwei verschiedene Typen akzessorischer Zellen, zum einen die flaschenförmigen Zellen (Typ 1), welche die Rezeptorzellen direkt umgeben und ebenso Kontakt zur Kammer haben, und die ovalen Stützzellen (Typ 2). Diese separieren die A-Zellen voneinander und grenzen sie zur Basalmembran hin ab. Die Zellmembran dieser Rezeptorzellen weist keine Mikrovilli auf.

In der inneren Kammer befindet sich der zweite Rezeptorzelltyp, die B-Zellen. Sie stehen größtenteils frei in der Kammer, einzig die basale Zellmembran hat Kontakt zu den Epithelzellen der Kammerwand. Dieser Bereich der Wand ist durch Lücken zwischen den Epithelzellen unterbrochen. Bei allen untersuchten Mormyromasten der drei Hautregionen ist die Zellmembran der B-Zellen mit zahlreichen Mikrovilli bedeckt. Wie bei den A-Zellen findet man auch bei den B-Zellen accessorische Strukturen. Diese sind in Form einer subsensorischen Plattform unterhalb der inneren Kammer angeordnet und durch drei verschiedene Zelltypen definiert. Am häufigsten sind ovale bis flaschenförmige Zellen mit klarem Zytoplasma vorzufinden, die meist direkt unterhalb der Kammer liegen (Typ 2). Weiterhin sind verzweigte Zellen mit hellem Zytoplasma zu unterscheiden, die sich weniger zahlreich und eher zufällig innerhalb der Plattform anordnen (Typ 1). Den dritten Typ stellen runde bis ovale Zellen mit dunklem Zytoplasma dar (Typ 3). Sie befinden sich hauptsächlich im unteren Bereich der Plattform. Alle drei Zelltypen besitzen die charakteristischen großen ovalen Zellkerne, die zentral in der Zelle liegen.

3.1.3 Die äußere Kammer der Mormyromasten

Die äußere Kammer ist bei den Mormyromasten der drei Hautregionen verschiedenförmig gestaltet. Bei den Organen der Schnauzenregion sind die Kammern kleiner, ragen nur geringfügig in die Deckschicht der Epidermis hinein und werden zum größten Teil von den Zellen dieser Schicht direkt umschlossen (Abb.3.3). Die Kammern sind oval geformt und laufen zur apikalen Seite leicht spitz zu. Die Epithelzellen oberhalb und seitlich der Kammern sind, im Vergleich zu denen zwischen den Organen, deutlich vergrößert mit zahlreichen Zwischenräumen. Die gallertartige Substanz in der Kammer ist in den Schnitten meist violett bis schwarz gefärbt und füllt die Kammer nicht vollständig aus.

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Abb.3.3: Die äußere Kammer bei Mormyromasten aus der Haut des Schnauzenorgans. Zu sehen sind vier verschiedene Rezeptororgane. Ihre äußeren Kammern sind ähnlich geformt und leicht spitz zulaufend. Die Gallerte darin ist auffällig violett-schwarz gefärbt. Die gelben Pfeile deuten auf die vergrößerten Epithelzellen oberhalb der Kammer.

Die äußeren Kammern der Rezeptororgane der Nasalregion sind ebenfalls oval, aber größer als jene im Schnauzenorgan (Abb.3.4). Sie laufen nicht spitz zu, sondern werden eher zur Deckschicht hin breiter. Hier ragen die Kammern nur ein wenig in die oberste Epidermisschicht hinein. Sie werden etwa zur Hälfte von den dortigen Epithelzellen umschlossen. Die Epithelzellen der Kammerwände und oberhalb der Kammer sind, wie beim Schnauzenorgan, deutlich vergrößert und weisen mehr Zwischenräume auf. Die mucoide Substanz innerhalb der Kammern ist rosa gefärbt und füllt die Kammern fast aus. In ihr findet sich aber auch dunkel gefärbtes Material. Es ist meist am Grund und am oberen Rand lokalisiert und hat eine granulatartige Struktur. Wie auch beim Schnauzenorgan ist diese Gallerte oberhalb und seitlich von der Kammerwand gelöst.

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Abb.3.4: Die äußere Kammer bei Mormyromasten aus der Haut der Nasalregion. Zu sehen sind vier verschiedene Rezeptororgane. Ihre äußeren Kammern sind vergrößert und zum Teil rosa und violett-schwarz gefärbt. Die mucoide Substanz erscheint granulatartig (gelber Pfeil). Die schwarzen Pfeile zeigen die vergrößerten Epithelzellen der Kammerwände.

Ein ähnliches Bild wie bei der Nasalregion bietet sich im Rückenbereich. Die Kammern sind wie bei den Organen der Nasalregion meist zur Deckschicht hin erweitert. Allerdings ragen sie weiter in diese hinein. Dadurch werden die Kammern großräumig von den Epithelzellen des oberen Kanals umgeben. Des Weiteren sind die Zellen der Kammerwand, vor allem oberhalb der Kammer, vergrößert. Bei zwei von vier untersuchten Rezeptororganen der Rückenregion war zu beobachten, dass die Epithelzellen in die Kammer hinein gewandert sind. Es entstanden dadurch fingerartige Auswüchse. Die Gallerte ist bei den Mormyromasten des Rückenbereiches meist rosa oder violett-schwarz gefärbt und nur zum Teil granuliert (Abb.3.5).

3.1.4 Die innere sensorische Kammer

Die innere Kammer ist, ähnlich wie die äußere Kammer, ein von speziellen Epithelzellen umschlossener Raum, der ebenso mit einer Gallerte gefüllt ist. Der Aufbau dieser sensorischen Kammer ist bei allen untersuchten Organen gleich. Sie unterscheiden sich nur in einigen Fällen hinsichtlich dem Vorhandensein, der Färbung und der Struktur der mucoiden Substanz. Bei den untersuchten Rezeptororganen der Schnauzenregion ist der Innenraum der Kammern nur geringfügig oder gar nicht angefärbt, weshalb hier nicht davon ausgegangen werden kann, dass sie mit einer Gallerte gefüllt sind (Abb.3.6 A). In der Kammer eines Organs ist jedoch eine gallertartige Substanz zu beobachten. Sie ist blau gefärbt und bedeckt lediglich die B-Zellen (Abb.3.6 B).

Bei den Mormyromasten der Nasalregion ist die Gallerte blau bis dunkelblau gefärbt und deutlich zu erkennen. Hier werden die Rezeptorzellen vollständig davon umschlossen (Abb.3.6 C+D). Die Kammern der Rezeptororgane aus dem Rückenbereich weisen meist eine gering gefärbte Gallerte auf (Abb.3.6 E). Wie schon bei einem Mormyromast des Schnauzenorgans ist auch in einem untersuchten Organ der Rückenregion eine blau erscheinende Struktur oberhalb der B-Zellen zu beobachten, ähnlich einem „Mucoidball“ (Abb.3.6 F). Eine weitere Auffälligkeit ist eine scheinbar zweigeteilte Kammer bei einem Organ aus dem Rückenbereich (Abb.3.6 G). Hierbei sind wahrscheinlich, wie bei der äußeren Kammer, die Epithelzellen in die Kammer eingewandert.

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3.1.5 Die A-Zellen der Mormyromasten

In den untersuchten Rezeptororganen des Schnauzenorgans sind die A-Zellen als ovale bis flaschenförmige Strukturen zu erkennen. Sie sind in den Schnittpräparaten grau bis dunkelblau gefärbt und besitzen einen dunklen ovalen Zellkern, der sich im basalen Zellbereich befindet. Bei den Rezeptororganen des Schnauzenorgans und der Nasalregion liegen die A-Zellen in nur einem konzentrischen Kreis um den unteren Kanal und die Basis der äußeren Kammer (Abb.3.7 A+B). Bei zwei von vier untersuchten Organen der Rückenregion liegen die A-Zellen dagegen in zwei Kreisen um die äußere Kammer (Abb.3.2 B). Sie haben immer mit der apikalen Spitze Kontakt zur Kammer. An dieser Stelle sind die Zellen zu einem Kegel geformt, wodurch sie flaschenförmig aussehen. Außerdem ist zu beobachten, dass die Kammer an den Kontaktstellen kleine Ausstülpungen bildet, in die die Kegel hineinragen. Die Gallerte umgibt dabei den Kegel der A-Zelle (Abb.3.7 C+D). Besonders auffällig sind auch die Vesikel innerhalb der Zellen. Sie liegen direkt an der Zellmembran und sind unregelmäßig verteilt (Abb.3.7 D). Diese Vesikel treten jedoch nicht bei allen untersuchten Rezeptororganen auf, sondern hauptsächlich bei den A-Zellen der Organe aus der Haut der Rückenregion. Bei den Organen der Nasalregion sind es nur einige wenige A-Zellen, die diese Vesikel beinhalten und bei den untersuchten Mormyromasten des Schnauzenorgans sind keine auffälligen Zellen vorzufinden. Ähnlich verhält es sich mit scheinbar degenerierten A-Zellen. Sie treten als geschrumpfte eher dunkel gefärbte Zellen in Erscheinung. Sie sind in ihrer Form länglich oder nierenförmig, nicht oval (Abb.3.7 E+F). Am häufigsten sind sie in den Organen der Rückenregion vorzufinden und weniger in jenen der Nasalregion. In den Rezeptororganen des Schnauzenorgans sind sie überhaupt nicht zu beobachten.

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Abb.3.7 A-F: Die A-Zellen der Mormyromasten. A aus der Haut des Schnauzenorgans, B der Nasalregion; Zu sehen sind die grau bis blau gefärbten ovalen A-Zellen an der Basis der äußeren Kammer. Sie zeigen einen großen (Schnauzenorgan) und dunkel gefärbten (Nasalregion) ovalen Zellkern (schwarze Pfeile). C Mormyromast aus der Haut der Rückenregion, D aus der Nasalregion; Die grünen Pfeile kennzeichnen den Kegel der A-Zelle, der in die Ausbuchtung der äußeren Kammer ragt. Er ist von der Gallerte umgeben. Der gelbe Pfeil zeigt die Vesikel innerhalb der A-Zelle. Zu sehen sind die grau bis blau gefärbten ovalen und scheinbar degenerierten A-Zellen von Rezeptororganen aus der Haut der Rückenregion. Die geschrumpfte (E) bzw. nierenförmige (F) Zelle ist durch einen roten Pfeil gekennzeichnet.

3.1.6 Die B-Zellen der Mormyromasten

Die B-Zellen der in dieser Arbeit untersuchten Rezeptororgane sind sehr unterschiedlich in Erscheinung getreten. Bei den Mormyromasten des Schnauzenorgans sind vor allem runde oder ovale Zellen mit großem apikal gelegenem Zellkern vorzufinden. Dieser ist etwas dunkler gefärbt. Wenn nur eine oder zwei B-Zellen in der Kammer nebeneinander liegen, füllen diese meist den gesamten Raum aus (Abb.3.8 A+B). Bei einigen Rezeptororganen liegen bis zu drei Zellen nebeneinander. Diese Zellen haben eine ovale Form und füllen die Kammer nicht vollständig aus (Abb.3.8 C+D). Die Mikrovilli auf der Zelloberfläche sind in diesen Präparaten nur sehr schlecht zu erkennen, meist nur in Form eines Zipfels oberhalb der Zellen (Abb.3.8 D).

Die B-Zellen der Rezeptororgane aus der Haut der Nasalregion sind oval geformt, grau bis hellblau gefärbt und weisen einen großen ovalen apikal lokalisierten Zellkern auf. Sie tragen zahlreiche Mikrovilli auf der gesamten Oberfläche. Diese sind als heller Film auf der Zellmembran erkennbar (Abb.3.9 A). Sie laufen auch hier oberhalb der Zelle zipfelförmig zusammen. Die B-Zellen füllen die Kammern nie vollständig aus. Liegen maximal zwei Zellen nebeneinander, so sind diese meist verbreitert und zu den seitlichen Kammerwänden hin gekippt (Abb.3.9 A-C).

Bei den Mormyromasten der Rückenregion sind die B-Zellen verschiedenförmig gestaltet. Die Rezeptorzellen eines Organs sind länglich geformt und ragen bis zur oberen Kammerwand. Sie stehen sehr dicht beieinander, weshalb die Mikrovilli auf der Zelloberfläche nicht erkennbar sind. Wie alle B-Zellen, weisen auch diese einen großen ovalen, schon fast runden, Zellkern auf. Er befindet sich bei kürzeren Zellen in der apikalen Spitze und verlagert sich bei sehr langen Rezeptorzellen in Richtung Mitte (Abb.3.10 A+B). Sie füllen die gesamte Kammer aus. Bei den anderen drei untersuchten Organen sind keine länglichen, sondern ovale bis runde B-Zellen zu finden. In einem dieser drei Organe ist die innere Kammer zweigeteilt. Die Anzahl an B-Zellen teilt sich auf die zwei Kammern auf, wodurch in einer Kammerhälfte nie mehr als zwei nebeneinander liegen. Einzeln stehende Zellen sind, wie schon beim Schnauzenorgan, von eher runder Form. Die Kammern werden durch die Zellen fast vollständig ausgefüllt, wodurch auch hier keine Mikrovilli zu erkennen sind (Abb.3.10 C). Die Rezeptorzellen der anderen beiden Organe sind alle oval geformt. Sie weisen den typischen oval bis runden Zellkern auf, der im apikalen Bereich der Zellen lokalisiert ist. Die B-Zellen dieser Organe nehmen einen großen Raum in der Kammer ein. Die Mikrovilli auf der Zellmembran sind aber trotzdem als dünner heller Film auf der Oberfläche zu erkennen. Auch hier laufen sie zu einem Zipfel zusammen (Abb.3.10 D).

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Abb.3.8 A-D: Die innere Kammer und die B-Zellen der Mormyromasten aus der Haut das Schnauzenorgans. A Mormyromast mit nur einer B-Zelle, B Mormyromast mit zwei B-Zellen, C+D Mormyromasten mit drei B-Zellen und den zipfelförmig zulaufenden Mikrovilli (D, schwarze Pfeile); Die gelben Pfeile kennzeichnen die B-Zellen in den Kammern.

Abb.3.10 A-D: Die innere Kammer und die B-Zellen der Mormyromasten aus der Haut der Rückenregion. A+B Mormyromast mit länglichen B-Zellen; Die schwarzen Pfeile zeigen die Position des Zellkerns (A apikal, B zentral). C Mormyromast mit geteilter innerer Kammer; Es liegen maximal zwei B-Zellen nebeneinander in einer Kammerhälfte. Eine einzelne Zelle ist rund geformt (grüner Pfeil). D Mormyromast mit drei ovalen B-Zellen und zipfelförmig zulaufenden Mikrovilli (roter Pfeil).

3.1.7 Die Nervenfasern der Rezeptorzellen

Zum Abschluss der morphologischen Untersuchungen der Mormyromasten wurden die Nervenfasern der Rezeptorzellen betrachtet. In allen Organen der drei untersuchten Hautregionen sind drei Nervenfasern, selten zwei, pro Organ vorhanden. Sie laufen im Corium entlang der Basalmembran zum jeweiligen Rezeptororgan. Unterhalb der Rezeptorzellen durchbrechen sie die Basalmembran und nehmen Kontakt mit jeder einzelnen Zelle auf. Die A-Zellen werden meist von zwei der drei Fasern innerviert, die B-Zellen hingegen immer von einer einzelnen Faser. Wie bereits unter 3.1.1 beschrieben und in Abb.3.1 B dargestellt, durchdringen die Nervenfasern der A-Zellen bei den Mormyromasten des Schnauzenorgans unterhalb der Rezeptorzellen die Basalmembran, diejenige der B-Zellen tritt direkt unterhalb des Organs, und zwar unterhalb der subsensorischen Plattform, durch die Basalmembran. Alle Fasern laufen zusammen zum Rezeptororgan. Unterhalb des Organs liegen sie senkrecht zur Körperfläche. Die Nervenfasern sind in den Schnittpräparaten sehr hell gefärbt und schlauchartig geformt.

Die Nervenfasern der Rezeptororgane aus dem Nasal- und Rückenbereich sind denen des Schnauzenorgans gleich gestaltet. Sie sind hellgrau gefärbt und schlauchförmig, verlaufen jedoch permanent parallel zur Oberfläche (Abb.3.11 C). Die Fasern der A-Zellen treten wie beim Schnauzenorgan seitlich der subsensorischen Plattform unterhalb der A-Zellen durch die Basalmembran (Abb.3.11 A). Die Nervenfaser der B-Zellen läuft mit denen der A-Zellen parallel zur Hautoberfläche zum Rezeptororgan (Abb.1.3) und durchdringt die Basalmembran direkt unterhalb des Organs (Abb.3.11 B). Die darauf folgende Aufzweigung der Nervenfaser und die eigentliche Innervation der Rezeptorzellen wurden in dieser Arbeit nicht betrachtet.

Abb.3.11 A-C: Die Nervenfasern der Rezeptorzellen der Mormyromasten aus dem Nasal- und Rückenbereich. A+B Mormyromasten der Nasalregion, C Mormyromast der Rückenregion, BM Basalmembran, n Nervenfaser, n A Nervenfaser der A-Zellen, n B Nervenfaser der B-Zellen.

3.2 Die Vermessungen der Rezeptororgane

3.2.1 Das gesamte Organ

Für die morphologische Differenzierung der Mormyromasten der drei untersuchten Hautregionen wurden vier Rezeptororgane pro Region in Breite und Länge vermessen. Die Gesamtbreite der Mormyromasten beträgt beim Schnauzenorgan 66,3 ± 10,6 µm. Demgegenüber wurde in der Nasalregion eine Gesamtbreite von 94,8 ± 2,9 µm und in der Rückenregion eine Breite von 117,0 ± 14,7 µm gemessen. Im Gesamtvergleich wurden Signifikanzen festgestellt (Tab.3.2). Die paarweisen Posthoc-Tests zeigten, dass die Organe des Schnauzenorgans signifikant schmaler sind als jene der Rückenregion (Abb.3.12). Alle anderen paarweisen Vergleiche führten zu keinem signifikanten Ergebnis (Tab.3.3).

Für die Organe des Schnauzenorgans wurde eine Länge von 136,3 ± 15,3 µm gemessen, wohingegen die der Nasalregion 169,3 ± 20,5 µm lang sind. Die Mormyromasten im Rückenbereich sind 154,5 ± 13,2 µm lang sind (Abb.3.13). Hinsichtlich der Gesamtorganlänge waren die Mormyromasten der drei Regionen nicht signifikant verschieden (Kruskal-Wallis-Test, Chi2=5,346, n1, n2, n3=4, p=0,069).

3.2.2 Die elektrorezeptive Epidermis

Die Messungen der Epidermisschichten c und d haben ergeben, dass diese beim Schnauzenorgan zusammen 94,2 ± 19,2 µm dick sind. Die Epidermisschichten der Nasalregion sind mit 124,9 ± 14,8 µm hingegen deutlich dicker. Am dünnsten sind die Schichten der Epidermis in der Rückenregion (84,5 ± 8,2 µm) (Abb.3.14). Die Messungen der Dicke der Schichten c und d ergaben im Gesamtvergleich keine signifikanten Unterschiede (Kruskal-Wallis-Test, Chi2=6, n1, n2, n3=4, p=0,05).

3.2.3 Der obere Kanal der Mormyromasten

Der obere Kanal der Mormyromasten des Schnauzenorgans ist mit 68,6 ± 6,1 µm nur halb so breit wie jener der Rezeptororgane der Nasalregion (128,1 ± 6,8 µm). Der obere Kanal der Organe der Rückenregion ist mit 126,2 ± 15,1 µm Breite ähnlich denen der Nasalregion (Abb.3.15). Im Gesamtvergleich zeigten sich Signifikanzen (Kruskal-Wallis-Test, Chi2=7,538, n1, n2, n3=4, p=0,023), die in den paarweisen Posthoc-Tests nicht mehr festgestellt wurden (Tab.3.3).

3.2.4 Die äußere Kammer

Anhand der Ergebnisse aus den Messungen der Breite der äußeren Kammer sind Differenzen zwischen den Werten aus der Rückenregion und denen des Schnauzenorgans festzustellen. Die äußere Kammer der Organe des Schnauzenorgans ist 24,4 ± 10 µm breit und die der Organe der Nasalregion ist 45,6 ± 1,5 µm breit. Die äußere Kammer der Organe der Rückenregion ist mit 51 ± 12 µm ähnlich breit (Abb.3.16). Im Gesamtvergleich wurden dementsprechend Signifikanzen festgestellt (Tab.3.2). Die paarweisen Posthoc-Tests führten jedoch nicht zu signifikanten Unterschieden (Tab.3.3).

Die Ergebnisse aus den Messungen der Länge der äußeren Kammer sind ähnlich denen der Breite. Die Kammern der Mormyromasten des Schnauzenorgans sind 37,9 ± 12,4 µm lang, gefolgt von denen der Nasalregion (64,9 ± 8,3 µm). Die Kammern der Organe der Rückenregion sind 71,1 ± 8,1 µm lang (Abb.3.17). Im Vergleich der drei Regionen wurde ein signifikanter Unterschied festgestellt (Kruskal-Wallis-Test, Chi2= 7,731, n1, n2, n3=4, p=0,021). Die paarweisen Vergleiche führten jedoch zu keinem signifikanten Ergebnis (Tab.3.3).

3.2.5 Die innere sensorische Kammer

Im Gegensatz zur äußeren Kammer haben die Messungen der Breite der inneren sensorischen Kammer im Vergleich signifikante Unterschiede ergeben (Tab.3.3). Die Mormyromasten des Schnauzenorgans haben mit 25,8 ± 3 µm die schmalste Kammer. Breiter ist die innere Kammer der Organe der Nasal- und Rückenregion (36,115 ± 1,281 µm; 43,2 ± 4,7 µm) (Abb.3.18). Der paarweise Vergleich von Schnauzenorgan und Nasalregion ergab kein signifikantes Ergebnis (Paarweiser Vergleich, Nemenyi-Test, q=2,36, n1, n2=4, p>0,2). Der Vergleich von Schnauzenorgan und Rückenregion führte jedoch zu einem signifikanten Ergebnis (Paarweiser Vergleich, Nemenyi-Test, q=4,299, n1=4, n3=4, p<0,05). Die innere Kammer der Mormyromasten der Rückenregion ist signifikant breiter als jene des Schnauzenorgans.

Für die Länge der inneren Kammer zeigte sich ein ähnliches Ergebnis. Die innere sensorische Kammer der Organe des Schnauzenorgans ist mit 20,3 ± 4,2 µm, im Gegensatz zu der Kammer der Organe der Nasalregion mit einer Länge von 27,8 ± 1,8 µm, deutlich kürzer als jene des Rückenbereiches, die 30,1 ± 2,6 µm lang ist (Abb.3.19). Die paarweisen Posthoc-Test führten im Vergleich von Schnauzenorgan und Rückenregion zu einem signifikanten Ergebnis (Paarweiser Vergleich, Nemenyi-Test, q=3,88, n1=4, n3=4, p<0,05). Kein Unterschied konnte beim Vergleich des Schnauzenorgans und der Rückenregion mit der Nasalregion festgestellt werden (Tab.3.3).

3.2.6 Die A-Zellen

Innerhalb der einzelnen Organkomplexe wurden auch die Rezeptorzellen in ihrer Breite und Länge vermessen. In den Abbildungen 3.20 und 3.21 sind die Maße der A-Zellen der Mormyromasten der drei Hautregionen graphisch dargestellt. Es wird deutlich, dass sich die A-Zellen der Organe der drei Regionen in Breite sowie Länge kaum unterscheiden. Sie sind ca. 20 µm breit und etwa 24 µm lang (Tab.3.1). Im Gesamtvergleich von Breite sowie Länge wurden keine signifikanten Unterschiede festgestellt. Die Werte für das Signifikanzniveau liegen in beiden Fällen weit über 0,05 (Tab.3.2). Anders gestalten sich die Ergebnisse bei der Anzahl A-Zellen pro Organ. In den Mormyromasten des Schnauzenorgans wurden 3,5 ± 1,3 Zellen gezählt. Im Nasalbereich wurden pro Organ immer vier Zellen gezählt. Die meisten A-Zellen waren in den Mormyromasten der Rückenregion zu finden (6,8 ± 0,5 Zellen) (Abb.3.22). Hier sind im Gesamtvergleich signifikante Unterschiede zwischen den Mormyromasten der drei Hautregionen aufgetreten (Kruskal-Wallis-Test, n1=4, n2=4, n3=4, Chi2=8,229, p=0,016). Die paarweisen Posthoc-Tests führten jedoch wieder zu keinem signifikanten Ergebnis (Tab.3.3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3.20: Vergleich der Breite der A

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Abb.3.21: Vergleich der Länge der A-Zellen von Rezeptororganen der drei Hautregionen.

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Abb.3.22: Vergleich der Anzahl an A-Zellen pro Mormyromast.

(Einzelner Punkt stellt einen Ausreißer dar.)

3.2.7 Die B-Zellen

Der zweite Typ der Rezeptorzellen, die B-Zellen, wurde ebenso wie die A-Zellen vermessen. In der Abbildung 3.23 werden geringe Differenzen in den Werten für die Breiten der B-Zellen aus den Organen der drei Hautregionen deutlich. Der Mittelwert liegt in allen drei Bereichen zwischen 12 und 15 µm. Im Hinblick auf die Breite sind die Zellen im Gesamtvergleich signifikant verschieden (p=0,045) (Tab.3.2). Im paarweisen Posthoc-Test lag das Signifikanzniveau über 0,05 (Tab.3.4), das heißt, es gibt keine signifikanten Unterschiede.

In Abbildung 3.24 sind vergleichend die Werte aus den Messungen für die Länge der B-Zellen aus den Organen der drei Hautregionen dargestellt. Die Länge der B-Zellen des Schnauzenorgans beträgt 15 ± 2,9 µm. Die maximale Länge der B-Zellen aus dem Rückenbereich beträgt demgegenüber 20,2 ± 3,1 µm. Es wird deutlich, dass die B-Zellen aus den Rezeptororganen der Rückenregion signifikant länger sind als jene aus den Organen des Schnauzenorgans. Im Nemenyi-Test wurde ein Signifikanzniveau kleiner als 0,001 berechnet (Tab.3.4). Mit einer Länge von 17,5 ± 2 µm unterscheiden sich die B-Zellen des Nasalbereiches ebenso signifikant (p<0,01, Tab.3.4) von denen der Rückenregion.

In Abbildung 3.25 ist die Anzahl der B-Zellen pro Organ aus den drei untersuchten Hautregionen graphisch dargestellt. Es wird deutlich, dass die Zellzahl pro Organ vom Schnauzenorgan bis hin zum Rücken zunimmt. Beim Schnauzenorgan kommen 2,3 ± 1 B-Zellen pro Organ vor. In den Mormyromasten der Nasalregion sind es 4,8 ± 0,5 Zellen und in den Organen der Rückenregion sind es 6,5 ± 1,3 B-Zellen. Damit ließ sich im paarweisen Vergleich zwischen dem Schnauzenorgan und der Rückenregion ein signifikanter Unterschied feststellen (p<0,05, Tab.3.3).

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Abb.3.23: Vergleich der Breite der B-Zellen der Mormyromasten der drei Hautregionen. (Einzelner Wert stellt einen Ausreißer dar.)

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Abb.3.24: Vergleich der Länge der B-Zellen der Mormyromasten der drei Hautregionen. (***: Paarweiser Test, Nemenyi-Test, Q=1,77, n1=8, n3=26, p 0,001; **: Q=3,045, n2=19, n3=26, p 0,01), (Einzelne Punkte stellen Ausreißer dar.)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3.25: Vergleich der Anzahl an B-Zellen pro Mormyromast. (*: Paarweiser Test, Nemenyi-Test, q=4,232, n1, n3=4, p 0,05)

Tab.3.1: Mittelwerte der gemessenen Parameter der Rezeptororgane aus den drei verschiedenen Regionen des Fisches Gnathonemus petersii.

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SD Standardabweichung

Tab.3.2: Gesamtvergleich der ermittelten maximalen Breiten und Längen der untersuchten Parameter der Rezeptororgane der drei Hautregionen (Kruskal-Wallis-Test).

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Tab.3.3: Paarweiser Vergleich nach Nemenyi bei n1 = n2 = n3 = 4.

q0,05; 12; 3 = 3,773 (kritischer Wert für die Akzeptanz der Ergebnisse aus dem Nemenyi-Test)Region: 1- Schnauzenorgan 2- Nasal 3- Rücken

Tab.3.4: Paarweiser Vergleich bei n1 ≠ n2 ≠ n3.

q0,05; 3 = 2,394 (kritischer Wert für die Akzeptanz der Ergebnisse aus dem Tukey-Test)

Region: 1- Schnauzenorgan; n1= 8

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3.3 Zusammenfassung der Ergebnisse aus den morphologischen Beobachtungen und den Vermessungen der Mormyromasten

Mit Hilfe der oben aufgeführten Ergebnisse aus den morphologischen Beobachtungen und den Vermessungen soll im folgenden Abschnitt eine kurze Zusammenfassung über die allgemeine Struktur der Mormyromasten von Gnathonemus petersii gegeben werden. Die Mormyromasten der drei Hautregionen sind folgendermaßen aufgebaut: sie besitzen als Hauptmerkmal zwei sensorische Kammern. Die Kammern sind vollständig von speziellen Epithelzellen der Epidermisschichten umschlossen. Sie sind unterschiedlich groß, aber nicht signifikant verschieden. Einige äußere Kammern der Rückenregion zeigen fingerartige Auswüchse durch eingewanderte Epithelzellen. Die Schichten der elektrorezeptiven Epidermis sind in den verschiedenen Regionen unterschiedlich ausgeprägt. Das Schnauzenorgan und die Nasalregion zeigen in den morphologischen Beobachtungen im Vergleich zur Rückenregion eine dickere Epidermis. Sie unterscheiden sich aber nicht signifikant. Als weiteres Merkmal besitzen alle untersuchten Mormyromasten zwei Typen von Rezeptorzellen, die A-Zellen und die B-Zellen. Die A-Zellen sind in ihrer Größe in allen drei Regionen gleich. Die Anzahl an A-Zellen schwankt zwischen den Regionen, ist aber nicht signifikant verschieden. Die B-Zellen der Rezeptororgane der Rückenregion sind zum einen zahlreicher als diejenigen des Schnauzenorgans und zum anderen signifikant länger als die B-Zellen des Schnauzenorgans und der Nasalregionen. Ein drittes Merkmal der Mormyromasten sind die akzessorischen Strukturen der Sinneszellen. Sie gestalten sich in allen drei Körperregionen gleich. Durch die akzessorischen Zellen führen die Nervenfasern der Sinneszellen. Die Beobachtungen der mikroskopischen Aufnahmen haben gezeigt, dass die Mormyromasten von zwei bis drei Neuronen innerviert werden, wovon immer nur ein einzelnes zu den B-Zellen führt. Mit Ausnahme der Innervation sind in der Abb.3.26 die wichtigsten Merkmale der Mormyromasten aus den drei Hautregionen detailliert schematisch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3.12: Schematische Darstellung von drei Mormyromasten aus den untersuchten Hautregionen von Gnathonemus petersii. a-d Epidermisschichten (Vergleich Abb.2.2), ac A akzessorische Zellen der A-Zellen,äKa äußere Kammer, BM Basalmembran, i Ka innere Kammer, SP subsensorische Plattform.

4. Diskussion

Ziel dieser Untersuchungen war die allgemeine morphologische Beschreibung der Mormyromasten aus drei verschiedenen Körperregionen und die genaue Vermessung der einzelnen Bestandteile eines jeden untersuchten Rezeptororgans. Dabei sollen die erzielten Ergebnisse mit denen früherer Arbeiten verglichen werden, um herauszufinden, ob es in Bezug auf die neuen physiologischen Befunde auch morphologische Differenzen zwischen den Bereichen gibt. Ähnliche Beobachtungen wurden bereits am Gymnotus carapo (Gymnotiden) gemacht [Castelló et al. 2000]. Diese Spezies besitzt eine Fovea-Parafovea-Region am rostralen Ende des Körpers. Indizien dafür sind unter anderem eine hohe Rezeptordichte in dieser Region und die Innervation der Elektrorezeptoren durch zwei Hauptäste der beiden größten Nerven des Fisches. Außerdem sprechen die elektrischen Eigenschaften der Körperoberfläche dafür, dass es sich um eine Fovea-Parafovea-Region handelt. Ähnlich wie bei den elektrophysiologischen Befunden über die beiden elektrorezeptiven Foveae bei Gnathonemus petersii [v. d. Emde & Schwarz 2002] erhalten die Rezeptororgane dieser Fovea-Parafovea-Region die meisten Informationen über Veränderungen im elektrischen Feld des Fisches. Die Untersuchungen und Vermessungen der Mormyromasten sollen Aufschluss darüber geben, ob das Schnauzenorgan und die Nasalregion im Vergleich zur Rückenregion eine unterschiedliche funktionale Bedeutung für die aktive Elektroortung haben und ob sie als elektrorezeptiven Foveae angesehen werden können.

4.1 Die elektrorezeptive Epidermis

Aufgrund des geringen Widerstandes im Inneren des Fisches im Vergleich zum umgebenden Wasser fließt der vom elektrischen Organ produzierte Strom immer von außen über die Haut und Körperöffnungen nach außen bzw. innen. Die elektrorezeptive Epidermis fungiert dabei als Oberflächenwiderstand des Fisches [Bennett 1965]. Die physikalische Beschaffenheit der Haut beeinflusst vermutlich die Geometrie des dipolaren elektrischen Feldes, welches vom Schwanzstiel ausgeht. Es baut sich nicht nur um die Schwanzflosse auf, sondern verläuft auch von der Schwanzwurzel bis zur Maulöffnung und dem Schnauzenorgan [Budelli & Caputi 2000]. Der Widerstand der Haut nimmt bei Gnathonemus petersii vom Schnauzenbereich zum Schwanzstiel und zur Seitenlinie hin ab [Caputi et al. 1998, Schwarz 2000]. Dennoch laufen die Feldlinien vor allem in Richtung Mundöffnung und Schnauzenorgan. Eine Ursache dafür ist wahrscheinlich das permanent geöffnete Maul, wodurch der Oberflächenwiderstand an dieser Stelle stark herabgesetzt wird [Schwarz 2000]. Der hohe Widerstand der Epidermis wird vermutlich durch ihre besondere Zellschichtung erzeugt. Es handelt sich dabei um polygonale, dicht gepackte Zellen, die über tight junctions elektrisch isoliert sind [v. d. Emde & Heiligenberg 2001]. Für einen hohen Widerstand im Stirn- und Maulbereich des Fisches würde man dementsprechend eine sehr dicke Epidermis erwarten und für einen geringen Widerstand im Rückenbereich eine dünne Epidermis.

Um das zu untersuchen, wurde die Haut von Gnathonemus petersii morphologisch betrachtet und auf ihre Dicke hin vermessen. Diese Untersuchungen haben ergeben, dass sie in allen untersuchten Bereichen aus den typischen vier Zellschichten besteht, die jedoch unterschiedlich ausgeprägt sind. Das Stratum spinosum und die dritte Schicht aus den abgeflachten Zellen sind im Schnauzenorgan am stärksten ausgebildet und in der Haut des Rückens am geringsten. Hier wölbten sich die abgeflachten Zellen der dritten Epidermisschicht in Richtung Hautoberfläche. Diese Zellformation könnte durch die Einbettung verursacht worden sein. Auf welche Weise ist jedoch unklar. Das dickste Stratum spinosum und die, anatomisch betrachtet, dickste Epidermis findet man in der Nasalregion. Wenn die Epidermisdicke mit dem Widerstand korreliert, würde das bedeuten, dass der Widerstand über dem Rückenbereich am geringsten ist und im Nasalbereich am höchsten. Das entspricht den bisherigen elektrophysiologischen Ergebnissen. Die besonderen elektrischen Eigenschaften der Haut werden jedoch nicht nur durch ihren zellulären Aufbau verursacht, sondern auch durch die Elektrorezeptoren, welche in die Epidermis eingebettet sind und über die der Strom in das Innere des Fisches geleitet wird. Die Dichte der Mormyromasten ist in der Haut des Schnauzenorgans und in einem schmalen Bereich in der Mitte der Stirn (Nasalregion) am höchsten [M.Hollmann, pers. Mitteilung]. Vermutlich fließt deshalb der Strom, trotz dicker Epidermis, vor allem hier über die Rezeptororgane in das Innere des Fisches. Während der Untersuchungen dieser Arbeit konnte zusätzlich beobachtet werden, dass die hohe Dichte an Rezeptoren nicht nur durch die Mormyromasten verursacht wird, sondern auch durch eine relativ hohe Anzahl an ampullären Organen. Sie wurden dort bisher noch nicht identifiziert und liegen meist zwischen mehreren Mormyromasten in Bereichen von besonders hoher Rezeptordichte.

Insgesamt zeichnet sich die Epidermis des Schnauzenorgans aber nicht nur durch ihre Dicke aus, sondern auch durch eine besondere Formation der Zellschichten. Sie dient möglicherweise als Isolationsmaterial seitlich der Elektrorezeptoren. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Stratum spinosum und der dritten Epidermisschicht. Sie umgeben große Bereiche der Rezeptororgane, vor allem in Höhe der Rezeptorzellen. Vermutlich dient das dem Aufbau eines erhöhten Widerstandes in den Bereichen zwischen den Rezeptororganen und einer verstärkten elektrischen Isolation nicht nur zur Hautoberfläche, sondern auch zu den benachbarten Rezeptororganen. Die Mormyromasten des Schnauzenorgans stehen sehr dicht nebeneinander und würden sich vermutlich bei zu geringer seitlicher Isolierung gegenseitig stören. Bei der Rücken- sowie Nasalregion ist das nicht der Fall. Die Rezeptorzellen werden von den Epidermisschichten hauptsächlich nach oben abgegrenzt. Sie liegen dort stets unterhalb der abgeflachten polygonalen Zellen. Die Dichte an Rezeptororganen ist in diesen Bereichen auch weniger hoch, weshalb eine starke Isolation zwischen den einzelnen Organen nicht nötig wäre. Um herauszufinden, ob es sich hierbei um eine elektrische Isolierung handelt, müsste man den Widerstand der Epidermis zwischen den einzelnen Rezeptororganen messen und die Funktionsweise der Rezeptororgane bei verstärktem Stromfluss überprüfen.

4.2 Die Gesamtgröße der Mormyromasten

Die morphologischen Beobachtungen und die Vermessungen der Mormyromasten haben im Bezug auf die anatomische Differenzierung der Organe der drei Hautregionen verschiedene Ergebnisse erbracht. Prinzipiell sind alle Rezeptororgane gleich aufgebaut. Wie schon 1965 von Thomas Szabo beschrieben, weisen die Organe zwei sensorische Kammern auf, die jeweils mit einem Rezeptorzelltyp assoziiert sind. Das gesamte Rezeptororgan ist dabei von Stütz- und Nebenzellen umgeben, welche sich insbesondere um die Rezeptorzellen anordnen. Im Vergleich der drei untersuchten Hautregionen haben sich Unterschiede vor allem in der Breite der Rezeptororgane gezeigt. Sie wird vermutlich durch die vorhandene Anzahl und Größe der Rezeptorzellen bestimmt, das heißt, je mehr Sinneszellen im Organ vorkommen, desto breiter wird es. Die breitesten Organe mit den meisten Rezeptorzellen sind in der Haut der Rückenregion gefunden worden. Das hat wahrscheinlich funktionale Ursachen, die in einem späteren Abschnitt im Zusammenhang mit den Sinneszellen besprochen werden.

Die Tatsache, dass die Mormyromasten des Schnauzenorgans so klein bzw. schmal sind, lässt sich unter anderem mit Hilfe der Hypothese über die elektrische Isolierung erklären. Denn um eine bestimmte Isolierung zu erreichen, müsste die Epidermis eine entsprechende Dicke aufweisen. Die lässt sich aber nicht bei zu großen Rezeptororganen realisieren, da in der Haut des Schnauzenorgans nicht genügend Platz ist. Würden die Organe des Schnauzenorgans mehr Rezeptorzellen besitzen und damit breiter werden, wäre, bei gleich bleibender Rezeptordichte, die Haut zwischen den Organen dünner. Dadurch würde sich eventuell der Widerstand verringern und elektrische Ströme könnten auch zwischen den Rezeptororganen durch die Haut fließen. Das würde möglicherweise Funktionsstörungen bei den Organen verursachen. Im Zusammenhang mit der Verteilungsdichte, der Größe der Rezeptororgane und der Rezeptorzellzahl lassen sich auch hier funktionale Anpassungen andeuten, auf die im Abschnitt 4.5 eingegangen wird.

Für die Mormyromasten der Nasalregion lässt sich eine der Rückenregion ähnliche Aussage treffen. Die Organe unterscheiden sich in ihrer Breite geringfügig von denen des Rückens. Sie besitzen auch weniger Rezeptorzellen, jedoch nicht so wenig wie die Mormyromasten des Schnauzenorgans. Diese Anatomie ist wahrscheinlich auch mit einer besonderen Funktionalität verbunden, die sich aus der speziellen Lage der Rezeptororgane und der vorhandenen Sinneszellzahl ergibt. Genauer wird darauf im Zusammenhang mit den Rezeptorzellen in einem späteren Abschnitt eingegangen.

In der Länge unterscheiden sich die Mormyromasten der drei Hautregionen nicht. Das bedeutet, dass sie alle etwa gleich weit in die Epidermis eingesenkt sind, da die Gesamtorganlänge von der Hautoberfläche bis zur Basalmembran gemessen wurde. Anhand der Ergebnisse aus den morphologischen Beobachtungen lässt sich jedoch sagen, dass der eigentliche Organkomplex, das heißt, die Kammern, die Rezeptorzellen und die dazugehörigen akzessorischen Strukturen, in den verschiedenen Hautregionen unterschiedlich lang ist. Betrachtet man die äußere Kammer, stellt man fest, dass sie bei den Organen des Schnauzenorgans tendenziell kürzer ist als jene aus der Nasal- und Rückenregion. Das gleiche betrifft die innere Kammer. Hier sind sogar signifikante Unterschiede zwischen dem Schnauzenorgan und der Rückenregion festgestellt worden. Die akzessorischen Strukturen der Rezeptorzellen sind, anatomisch betrachtet, bei den Organen des Schnauzenorgans im Vergleich zu den anderen Regionen gleich groß. Insgesamt erscheinen die Mormyromasten des Schnauzenorgans kleiner. Die ähnlich hohen Werte für die Gesamtlänge werden vermutlich dadurch verursacht, dass die Organe zwar ebenso tief in die Epidermis eingesenkt sind, aber aufgrund der etwas kleineren äußeren Kammer von mehr Zelllagen der Deckschicht überlagert werden (Abb.3.3).

4.3 Die äußere Kammer der Mormyromasten

Die Vermessungen der äußeren Kammern und die statistischen Auswertungen der Ergebnisse haben in Bezug auf die Breite und Länge der Kammern keine signifikanten Unterschiede ergeben. Es deuten sich jedoch aufgrund von sehr knappen Ergebnissen in den Signifikanzniveaus Unterschiede an (Tab.3.3). Die äußeren Kammern der Mormyromasten des Schnauzenorgans sind etwa halb so breit wie diejenigen des Rückenbereiches und auch nur halb so lang. Die anatomischen Untersuchungen bestärken die bestehenden Eindrücke zusätzlich. Die äußeren Kammern der Organe der Nasalregion stellen in Bezug auf die Größe der Kammern eine Zwischenposition dar. Daher war beim paarweisen Vergleich der einzelnen Regionen kein signifikanter Unterschied festzustellen. Es stellt sich die Frage, warum die Kammern der Mormyromasten des Schnauzenorgans so klein sind und die der Rückenregion so groß. Eine mögliche Erklärung ist, dass die äußeren Kammern mit ihrem geringen Widerstand die Ströme in das Organ und zu den Rezeptorzellen leiten und dabei eine dem Stromfluss angepasste Oberfläche bieten müssen. Wie bereits festgestellt wurde, ist der Stromfluss in den Rückenregionen geringer als im Kopfbereich [Caputi et al. 1998]. Bei einer kleineren Oberfläche und einer so geringen Rezeptordichte würden weniger Informationen in die Rezeptororgane geleitet werden. Aus diesem Grund sind die äußeren Kammern der Mormyromasten der Rückenregion wahrscheinlich so groß. Der umgekehrte Fall liegt beim Schnauzenorgan vor. Hier ist der Stromfluss sehr hoch, wodurch die Rezeptororgane viele Informationen erhalten, die auf eine kleine Oberfläche übertragen werden müssen. Dabei würde es jedoch zu enormen Informationsverlusten kommen. Bezieht man nun die hohe Rezeptordichte mit ein, wird deutlich, dass dadurch der Informationsverlust verhindert wird. Es stehen mehr Rezeptororgane für die Informationsaufnahme zur Verfügung. Aus diesem Grund und auch aus Gründen der elektrischen Isolierung sind die äußeren Kammern dieser Organe wahrscheinlich weniger groß.

Die Nasalregion stellt, wie schon angedeutet, eine Zwischenposition dar. Der Stromfluss ist in diesem Bereich am höchsten, die Rezeptordichte ist jedoch etwas geringer. Da mit kleineren Kammern keine ausreichende Informationsübertragung stattfinden würde, sind die Kammern dieser Organe vermutlich etwas größer.

Eine besondere Eigenschaft aller äußeren Kammern ist die mucoide Substanz, die in ihnen enthalten ist. Sie ist in den Organen der drei Regionen unterschiedlich strukturiert, wobei die Ursache unklar ist. Sie ist zum Teil sehr dunkel gefärbt, granulatartig und von den Kammerwänden abgelöst. Vermutlich sind chemische Prozesse während der Einbettung dafür verantwortlich. Möglicherweise wird ihr bei der Entwässerung mit Ethanol zu viel Flüssigkeit entzogen, wodurch sie sich zusammenzieht und verhärtet. Wahrscheinlich wird sie aufgrund einer resultierenden Aufkonzentrierung der Inhaltsstoffe so dunkel angefärbt.

4.4 Die innere Kammer der Mormyromasten

Durch die Beobachtungen anhand der Schnittpräparate und deren Vermessung konnten in Bezug auf die Breite der inneren Kammer zwischen den Mormyromasten des Schnauzenorgans und denen der Rückenregion Unterschiede festgestellt werden. Die Werte der Nasalregion liegen hingegen zwischen den beiden Regionen und sind nicht signifikant verschieden. Ursache für die Breite und Länge der inneren Kammer sind wahrscheinlich die B-Zellen, denn je mehr Zellen in der Kammer liegen und je größer sie werden, desto größer scheint auch die Kammer zu werden. Zu den Rezeptorzellen wird im folgenden Abschnitt Stellung genommen.

Neben der Gallerte ist der „Mucoidball“ oberhalb der B-Zellen ein weiteres Merkmal der inneren Kammer. Er trat bei einem Mormyromast des Schnauzenorgans und bei drei Organen der Rückenregion auf. Er ist dunkelblau gefärbt, was typisch ist für die Färbung der Gallerte in der inneren Kammer der Organe der Nasalregion. Es steht zur Diskussion, ob es sich hierbei um eine besondere Struktur mit einer anderen Funktion als die Gallerte handelt. Vermutlich entsteht der „Ball“, wie auch die granulatartige Struktur der äußeren Kammer, durch die chemischen Prozesse bei der Einbettung.

Die unterschiedliche Färbung der Gallerte in der äußeren und inneren Kammer wird möglicherweise durch eine unterschiedliche Zusammensetzung des Materials verursacht. Bereits 1971 stellte J.-P. Denizot fest, dass die Substanzen zwar gleichermaßen mucoid sind und im Bereich des unteren Kanals verschmelzen, aber einen unterschiedlichen pH-Wert aufweisen. Die Gallerte der äußeren Kammer ist sauer und die der inneren Kammer dagegen neutral. Das bedeutet, dass die Substanz der äußeren Kammer mehr freie Ionen besitzt und damit den Strom wie erwartet besser leitet.

4.5 Die Rezeptorzellen der Mormyromasten

Für die morphologischen Untersuchungen standen als ein wichtiges Merkmal der Mormyromasten unter anderem die beiden Typen von Sinneszellen im Vordergrund. Es konnten verschiedene Beobachtungen gemacht werden, die einige Hinweise auf die zwei Hypothesen bezüglich der beiden elektrischen Foveae geben. Zu Beginn wurden die A-Zellen pro Organ gezählt und vermessen. Es wurde im Gesamtvergleich der A-Zellen kein signifikanter Unterschied festgestellt. Ihre Breite und Länge ist in den untersuchten Körperregionen gleich. Es besteht jedoch der Verdacht, dass die Mormyromasten der Rückenregion mit durchschnittlich sieben Zellen die meisten A-Zellen aufweisen und die Organe der Schnauzenregion mit drei bis vier A-Zellen die wenigsten. Begründen lässt sich diese Vermutung damit, dass das Signifikanzniveau im paarweisen Vergleich von Schnauzenorgan und Rückenregion nur knapp über dem Grenzwert von 0,05 lag (Tab.3.3). Mit fünf A-Zellen weist die Nasalregion nur wenige Zellen mehr auf das Schnauzenorgan. Dadurch nimmt sie, wie schon beim Vergleich der äußeren Kammern, eine Zwischenposition ein. Bei den Untersuchungen der B-Zellen haben sich deutliche Unterschiede herausgestellt. Sie sind in ihrer Breite überall gleich, jedoch nicht in der Länge. Die Organe der Rückenregion weisen im Vergleich zum Schnauzenorgan die längsten B-Zellen auf (Tab.3.3). Insgesamt konnte eine gewisse Varianz in der Form der Zellen festgestellt werden. Einige zeigen eine ovale Form, andere wiederum sind rund. Manche sind schlank und manche eher verbreitert. Die Form ist möglicherweise von der Anzahl der B-Zellen innerhalb einer Kammer abhängig, da meist einzeln stehende Zellen rund und verbreitert sind. Sie nutzen den gesamten Bereich in der Kammer aus. Bei mehr als zwei Zellen in der Kammer sind die Zellen hauptsächlich oval und oft schlanker. In Bezug auf die Anzahl der B-Zellen konnten ebenfalls signifikante Unterschiede festgestellt werden. Sie ist in den Organen der Rückenregion signifikant höher als in den Organen des Schnauzenorgans. Die Mormyromasten der Nasalregion besitzen im Vergleich dazu fast so viele B-Zellen wie die Organe der Rückenregion.

Mit steigender Rezeptorzellzahl erhöht sich entsprechend auch die rezeptive Zelloberfläche. Diese müsste in den Mormyromasten des Rückens am größten sein. Das hat zur Folge, dass die Sinneszellen mehr Informationen aufnehmen und verarbeiten können. Die hohe Anzahl an Sinneszellen bewirkt außerdem, dass die Rezeptororgane empfindlicher auf eintreffende Reize reagieren. Wobei man beachten muss, dass die B-Zellen sensibler sind als die A-Zellen [Shuai et al. 1998]. Es lässt sich in Bezug auf die Anzahl Sinneszellen eine Abstufung in Richtung Schnauzenorgan feststellen. Die Mormyromasten der Nasalregion wären demnach etwas unempfindlicher als diejenigen der Rückenregion und die Organe des Schnauzenorgans wären aufgrund der geringen Rezeptorzellzahl am unempfindlichsten. Betrachtet man dazu rückblickend die Gesamtgröße der Organkomplexe, wird ein Zusammenhang mit der Anzahl an Sinneszellen und der entsprechenden Empfindlichkeit deutlich.

Betrachtet man nun die Rezeptordichte in Verbindung mit der Anzahl an Sinneszellen, wird deutlich, dass im Schnauzenorgan zwar pro Mormyromast weniger Sinneszellen vorhanden sind, die Anzahl pro Quadratmillimeter aber deutlich höher ist als im Rücken und in der Nasalregion. Wenn im Schnauzenorgan pro Rezeptor zwei B-Zellen vorkommen und auf einem Quadratmillimeter 60 Organe liegen, dann sind dort 120 B-Zellen pro Quadratmillimeter lokalisiert. In der Nasalregion entsprechen vier Organe pro Quadratmillimeter mit je fünf B-Zellen gerade 20 B-Zellen pro Quadratmillimeter. In der Rückenregion sind es noch weniger. Das würde bedeuten, dass die einzelnen Mormyromasten im Schnauzenorgan weniger empfindlich sind, aber die Gesamtheit der Rezeptororgane eine wesentlich höhere Auflösung der detektierten Reize liefert als die in der Rückenregion [v. d. Emde & Schwarz 2002]. Die Nasalregion nimmt in diesem Zusammenhang eine Sonderposition ein. In ihr sind weniger B-Zellen als im Schnauzenorgan lokalisiert. Dennoch weist sie im Vergleich zum Rückenbereich mehr Rezeptororgane pro Quadratmillimeter auf. Ihre Mormyromasten wären demnach empfindlicher als die des Schnauzenorgans. Die Auflösung hingegen würde vom Rüssel zur Stirn hin schwächer werden. Vergleichbar ist das mit dem visuellen System der Wirbeltiere. Mit zunehmender Rezeptordichte in der Retina, das heißt, mit abnehmendem Rezeptorabstand, nimmt das Auflösungsvermögen des Auges zu. Da die Rezeptoren in der Fovea centralis am dichtesten angeordnet sind, wird dieser Ort gilt als Punkt des schärfsten Sehens. An der Stelle ist die Auflösung des visuellen Bildes am größten. Allein die hohe Dichte an Sinneszellen genügt jedoch nicht. In der Fovea centralis sind sie in einem Verhältnis von 1:1 auf die folgenden Nervenfasern geschaltet. Dadurch ist eine punktgenaue und schnelle Verarbeitung der visuellen Informationen möglich [Eckert et al. 2000].

4.6 Die neuronale Innervation der Sinneszellen

Anhand des vorherigen Beispiels wird deutlich, dass die bisherigen Ergebnisse über die Mormyromasten noch nicht klären können, ob es sich beim Schnauzenorgan und der Nasalregion um zwei elektrische Foveae handelt. Aufschluss darüber sollen nun die Kenntnisse über die Innervation der Sinneszellen geben. In dieser Arbeit wurden dazu anhand der mikroskopischen Aufnahmen die Nervenfasern eines jeden Organs betrachtet. Es konnten zwei bis drei Neurone gezählt werden, wovon nur eines die B-Zellen innervierte. Es ist davon auszugehen, dass die anderen beiden Nervenfasern die A-Zellen innervieren. Dieses Ergebnis stimmt mit den Erkenntnissen früherer Untersuchungen überein [Bell et al. 1989]. Im Zusammenhang mit der Rezeptordichte im Schnauzenorgan hätte das zur Folge, dass die wenigen Rezeptorzellen pro Organ nahezu 1:1 mit den Nervenfasern verschaltet sind. In Anbetracht der hohen Anzahl an Sinneszellen in der Haut des Schnauzenorgans ist diese Eigenschaft der einer Fovea gleichzusetzen. Für die Nasalregion lässt sich diesbezüglich keine eindeutige Aussage machen. Die Organe besitzen mehr Sinneszellen, die ebenso auf nur drei Nervenfasern verschaltet sind. Damit ergibt sich kein Verhältnis von 1:1. Diese Tatsache muss aber die Möglichkeit einer elektrischen Fovea nicht ausschließen, solange die morphologischen Eigenschaften dieser Region mit einer eindeutig besonderen funktionalen Bedeutung verknüpft sind.

An dieser Stelle sei noch einmal die Hypothese über zwei separate Verhaltensmechanismen erwähnt [v. d. Emde & Schwarz 2002]. Alle in dieser Arbeit gesammelten Informationen über die Morphologie der Mormyromasten des Schnauzenorgans und die Kenntnisse aus vorangegangen verhaltens- und elektrophysiologischen Untersuchungen sprechen für ein Identifizierungssystem bei der Detektion von Objekten wie Nahrung. Wie einführend besprochen, gehört Gnathonemus petersii zu einer Spezies, die sich vorwiegend am Grund der Gewässer aufhält und im Boden nach Insektenlarven sucht [Teugels et al. 1992]. Um diese kleinen Objekte zu lokalisieren und als Nahrung zu identifizieren, benötigt er ein hoch auflösendes Detektionssystem. Auch die Annahme über die Nasalregion als ein Leitungs- und Detektionssystem für Objekte in größerer Entfernung ist berechtigt. Auf diese Weise ist das Tier in der Lage, Objekte frühzeitig zu erkennen. Zu diesem Zweck benötigt es Rezeptoren, die entsprechend der Entfernung empfindlich genug sind und auch eine genügend hohe Auflösung haben, um beispielsweise Nahrungsobjekte zu differenzieren und von Pflanzenmaterial zu unterscheiden. In diesem Zusammenhang spielen aber auch die kapazitiven Eigenschaften der Nasalregion eine Rolle [Budelli & Caputi 2000]. Sie sind hier sehr stark ausgeprägt, was das Erkennen lebender Objekte zusätzlich erleichtert. Anhand dieser Befunde lassen sich die Nasalregion und das Schnauzenorgan im Hinblick auf die elektrischen Foveae von der Rückenregion unterscheiden.

4.7 Fehlerdiskussion

Zu Beginn dieser Arbeit mussten für die Untersuchungen geeignete Hautpräparate hergestellt werden, welche die zu betrachtenden Rezeptororgane enthielten. Dies erwies sich als schwierig. Die Hautstücke wurden zunächst aus den entsprechenden Körperregionen herauspräpariert und über ein spezielles Verfahren in Harzblöcke eingebettet. Da anfangs nicht bekannt war, wie sich das Probenmaterial während des Verfahrens verhalten würde, sind einige Einbettungen nicht wünschenswert verlaufen. Durch die Verwendung eines ungeeigneten Einbettungsmediums (Epon) sind diese Proben nicht genügend durchdrungen worden und nicht vollständig erhärtet. Sie konnten nicht am Mikrotom geschnitten werden. Es musste zunächst ein geeignetes Medium gefunden werden. Nachdem dieses Problem gelöst war, konnten von insgesamt vier Fischen Hautproben entnommen und vier Einbettungsreihen durchgeführt werden. Die ersten eingebetteten Hautproben wurden mit Hilfe von Glasmessern geschnitten. Es entstanden jedoch keine geeigneten Serienschnitte, wodurch diese Proben für die Auswertung nicht verwendet werden konnten. Das Diamantmesser erwies sich daraufhin als geeigneter. Es wurden die Proben von insgesamt vier Fischen eingebettet. Leider konnten aufgrund des hohen Zeitaufwandes für die Entwicklung der Methode zur Herstellung dieser Hautpräparate die Proben von nur einem Fisch untersucht werden. Dies führte zu einer relativ unsicheren statistischen Auswertung der Ergebnisse. Im Gesamtvergleich sind häufig Signifikanzen festgestellt worden, die in den paarweisen Posthoc-Tests nicht errechnet wurden. Grund hierfür sind vermutlich die kleinen Stichproben. Aufgrund der nicht immer eindeutigen Ergebnisse sind für weiterführende Untersuchungen größere Stichproben zu empfehlen.

Die Beurteilung der mikroskopischen Aufnahmen wurde besonders dadurch erschwert, dass die Aufnahmen bei einer zu geringen Vergrößerung gemacht werden mussten. Grund hierfür war das verschmutzte 40iger Okular des verwendeten Mikroskops. Es lies sich nicht reinigen oder austauschen. Für zukünftige Arbeiten sind daher Aufnahmen mit stärkerer Vergrößerung zu empfehlen.

4.8 Ausblick

Um eine definitive Aussage in Bezug auf die Hypothese über die zwei elektrorezeptiven Foveae machen zu können, sind mehr Informationen über die Morphologie der Mormyromasten der verschiedenen Körperregionen nötig. Es sollten größere Stichproben genommen und die Vermessungen wiederholt werden. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Bereiche, aus denen Proben entnommen werden, möglichst gut verteilt sind. Es sollte auf Regionen mit hoher Rezeptordichte wie die Spitze des Rüssels und der schmale Streifen auf der Stirn und auf Regionen mit niedriger Rezeptordichte wie die Rüsselbasis und die Seiten des Gesichtsfeldes geachtet werden. Außerdem sollte die Innervation der Sinneszellen genauer untersucht werden, insbesondere die Nervenendigungen an den Sinneszellen und die Projektion der Nervenfasern ins Gehirn.

5. Zusammenfassung

Schwach elektrische Fische besitzen zwei Typen von Elektrorezeptoren: die ampullären und die tuberösen Organe. Bei den Mormyriden sind die tuberösen Organe in Knollenorgane und Mormyromasten zu unterteilen. Der für diese Arbeit interessante Typ waren die Mormyromasten von Gnathonemus petersii, der im Hinblick auf die aktive Elektroortung spezielle Anpassungen an seine Umwelt entwickelt hat. Dazu zählen zum einen der für elektrische Reize hoch sensible Gesichtsbereich, besonders die Region zwischen und oberhalb der Nasenöffnungen, und zum anderen die zu einem Rüssel umgebildete Kinnregion. Sie ist mit zahlreichen Elektrorezeptoren bedeckt. Beide Bereiche werden hauptsächlich bei der Differenzierung und Identifizierung von Objekten verwendet. Die besondere Morphologie und elektrischen Eigenschaften der Haut und die Geometrie des elektrischen Feldes gaben dazu Anlass, sie mit der visuellen Fovea zu vergleichen und als elektrische Foveae zu bezeichnen. Zur Absicherung dieser Hypothese fehlten jedoch noch aussagekräftige Informationen über die genaue Morphologie der Mormyromasten der besagten Regionen.

In dieser Arbeit wurden zu diesem Zweck Hautpräparate mit Proben aus dem Schnauzenorgan und der Nasalregion angefertigt und die Mormyromasten mikroskopisch untersucht. Um eine genaue Aussage über die Anatomie der Mormyromasten machen zu können, wurden die einzelnen Komponenten des Organkomplexes vermessen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit bestärken insgesamt die Hypothese über die zwei elektrischen Foveae. Grund dafür ist zum einen die unterschiedliche Verteilungsdichte der Mormyromasten, die besonders im Schnauzenorgan sehr hoch ist. Die Mormyromasten sind hier eher klein und besitzen jeweils nur wenige Rezeptorzellen. Aufgrund der Rezeptordichte ist die Anzahl an Sinneszellen jedoch sehr hoch. Das hat eine gesteigerte Auflösung zur Folge, die besonders wichtig für die genaue Identifizierung von Objekten wie kleinen Insektenlarven ist. Die Rezeptororgane der Nasalregion sind etwas größer als jene des Schnauzenorgans, weisen aber auch mehr Sinneszellen auf. Damit sind diese Organe empfindlicher aber weniger genau. Sie sind morphologisch genau auf die Detektion von Objekten in weiterer Entfernung abgestimmt. Aber nicht nur die Anzahl an Sinneszellen ist auf die besondere Funktion der jeweiligen Hautregionen ausgelegt, sondern auch die Größe der einzelnen Komponenten des Organkomplexes. Die äußeren Kammern, welche den Strom und die darin verborgenen Informationen über Veränderungen im elektrischen Feld an die Rezeptorzellen weiterleiten, weisen anscheinend eine dem Stromfluss und der Anzahl an Sinneszellen entsprechende Größe auf. Je weniger Informationen aufgrund eines geringeren Stromflusses gewonnen werden können, desto größer sind scheinbar die Kammern.

6. Danksagung

Ich danke Prof. Dr. Gerhard von der Emde für die Vergabe des Themas und für die Möglichkeit, in seiner Arbeitsgruppe diese Diplomarbeit anfertigen zu können. Ich bedanke mich besonders für die gute Betreuung und dafür, dass ich mich jederzeit mit Fragen an ihn wenden konnte.

Außerdem bedanke ich mich bei Dr. Gabriele Uhl für die Übernahme des Koreferates. Ihr sei für ihre ständige Bereitschaft zur Beantwortung von Fragen zur komplizierten Statistik gedankt. Für ihre nette und ausführliche Einarbeitung in die Handhabung der Geräte sowie für ihre schnelle erste Hilfe im Notfall bin ich ihr ebenfalls sehr dankbar.

Weiterhin danke ich Frau Ollenschläger für ihre großartige Hilfe bei der Anfertigung der Detailzeichnungen.

Ansonsten bedanke ich mich bei den Mitgliedern der gesamten Arbeitsgruppe, die für mich und meine Probleme öfter ein Ohr offen hatten.

Besonders sei Michael Hollmann gedankt, der mich in das Thema hineingeführt hat und mir bis zum Schluss mit guten Ratschlägen geholfen hat.

An anderer Stelle möchte ich mich bei meiner Freundin Yvonne Kirsch bedanken, die mit mir so manchen Kaffee auf Frustgefühle trinken musste. Ihre guten Ideen haben mir beim Verfassen dieser Arbeit sehr geholfen.

Außerdem bedanke ich mich bei Stephan Kuhn, ein lieber TÜV-Arbeitskollege und Diplombiologe. Er hat mir in der Schlussphase mit zahlreichen Ideen über Wortengpässe und fachlich verwirrende Ausdrucksweisen hinweggeholfen. Mit seinen erheiternden Einwürfen wurde es für mich zum Schluss noch mal ganz lustig. Es gab mir Kraft und neuen Schwung.

Eine weitere Person, bei der ich mich bedanken möchte, ist meine Mutti. Sie hat mir in Form von stundenlangen Telefonaten Beistand geleistet und trotz fachlicher Unkenntnis die Geduld erbracht, mir bei der Erörterung meiner Arbeit zuzuhören.

Meinen Geschwistern und der lieben Susi sage ich auch herzlichen Dank, da sich in angetäuschten Privatgesprächen immer ein bisschen vom Studium und der Diplomarbeit gemischt hat und sie trotz allem geduldig blieben.

Ich bedanke mich auch ganz herzlich bei meinem Freund Kadir Özel, der auch in schwierigen Tagen für mich da war. Vielen Dank!

7. Literatur

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