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Facettenaugen

Von wegen starrer Fliegenblick

In den Facettenaugen von Fliegen laufen dynamische Prozesse ab. © Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz (i.G.)/Anja Friedrich

Ihre Facettenaugen erscheinen starr – doch im Inneren tut sich was, berichten Wissenschaftler: Fliegen bewegen die Netzhäute in ihren Augen durch zwei Muskeln, um bewegte Objekte scharf zu sehen und Entfernungen besser einschätzen zu können, geht aus Experimenten an der Modellfliege Drosophila melanogaster hervor. Das System besitzt dabei bemerkenswerte Ähnlichkeiten mit dem Konzept der beweglichen Augen bei den Wirbeltieren, sagen die Forscher.

Wenn Sie diese Zeilen lesen, wird es besonders deutlich: Der Mensch und viele andere Wirbeltiere können ihre Augen flexibel bewegen, um sie auf bestimmte Blickpunkte im Sichtfeld zu richten. So ist ein scharfes und gezieltes Sehen möglich. Doch neben unserem Sehprinzip ist in der Natur ein anderes noch deutlich weiter verbreitet: Insekten und andere Gliedertiere besitzen Facettenaugen, die fest mit dem Kopf verbunden sind. Sie bestehen aus vielen einzelnen Elementen mit starren Linsen, die Lichtsignale auf eine Schicht werfen, die unserer Netzhaut entspricht. Das System ermöglicht eine gute Rundumsicht, scheint aber starr zu sein: Bisher wurde angenommen, dass Insekten ihr Blickfeld nur verändern können, indem sie den Kopf drehen oder ihren Körper bewegen. Doch die aktuelle Studie zeigt nun, dass diese Annahme, zumindest was Fliegen betrifft, relativiert werden muss.

Im Fokus der Forscher um Lisa Fenk vom Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz in Martinsried standen dabei bisher mysteriöse Elemente, die in Fliegenaugen entdeckt wurden: Aus anatomischen Untersuchungen war bekannt, dass Stubenfliegen zwei winzige Muskeln im Auge besitzen, die mit den Netzhäuten verbunden sind. Es wurde vermutet, dass sie deren Form verändern können. Welche Rolle sie allerdings beim Sehvorgang tatsächlich spielen, blieb unklar. Um dieser Spur nachzugehen, haben Fenk und ihre Kollegen diese Strukturen bei einer Fliegenart ins Visier genommen, die besonders viele Möglichkeiten zur Untersuchung bietet: Sie schauten der Taufliege Drosophila melanogaster intensiv in die Augen.

Taufliegen ins Auge geblickt

Durch die Möglichkeiten der Markierung und Visualisierung von bestimmten Strukturen bei diesen Modelltieren konnten die Forscher zunächst verdeutlichen, welche grundlegende Funktion die Muskeln im Fliegenauge erfüllen. In den Beobachtungen der Reaktionen zeichnete sich ab, dass die beiden Muskeln die Netzhäute unter den starren Linsen der Facettenaugen tatsächlich bewegen können. Wie die Wissenschaftler erklären, wird auf der Retina die Umgebung abgebildet und das einfallende Licht in Nervensignale umgewandelt. Bei ihren Untersuchungen wurde nun deutlich, dass die Muskelbewegungen zu einer Verschiebung des Abbilds der Umwelt führen. „Wir konnten zeigen, dass Taufliegen zusätzlich zu Kopf- und Körperbewegungen eine weitere, völlig andere Methode zur Anpassung ihres visuellen Inputs nutzen“, sagt Fenk.

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Anschließend gingen die Forscher der Frage nach, wie die Insekten das System nutzen. Sie präsentierten dazu an einer feinen Halterung befestigten Fliegen ein bewegtes Streifenmuster auf einem Display. Dabei blickten sie den Versuchstieren mit einem speziellen Kamerasystem auf die markierten Netzhausstrukturen. Dabei zeigten sich spezifische Bewegungsreaktionen: Wenn das Streifenmuster links und rechts am Kopf der Fliege vorbeilief, bewegten sich die Netzhäute jeweils synchron mit der Streifenbewegung. In unregelmäßigen Abständen sprangen die Netzhäute dabei in ihre Ausgangspositionen zurück, sodass eine erneute Bewegung möglich wurde. Wie die Forscher erklären, dienen diese Reaktionen offenbar dazu, den Seheindruck zu stabilisieren.

Bewegungen mit visuellen Funktionen

„Wir können unsere Augen hin- und herbewegen, um bewegte Objekte im Fokus zu behalten – das können Fliegen mit ihren starren Facettenaugen nicht“, sagt Lisa Fenk. Doch die beweglichen Netzhäute der Taufliegen repräsentieren ein alternatives System, um trotzdem Bewegungen folgen zu können, erklärt die Wissenschaftlerin. „Das Prinzip der Bildstabilisierung ähnelt dabei der Methode, die auch das menschliche Auge nutzt – nur dass wir dazu sechs Muskeln benötigen und das ganze Auge bewegen. Es ist faszinierend, dass die Evolution bei diesen zwei völlig unterschiedlichen Augentypen ähnliche Strategien zur Bildstabilisierung hervorgebracht hat“, sagt Fenk.

Durch weitere Experimente konnten die Forscher zudem belegen, dass die beweglichen Netzhäute auch eine Rolle bei der Fortbewegung der Insekten spielen. Wie sie erklären, müssen die Fliegen bei Spaziergängen entscheiden, ob sie über eine Spalte hinwegschreiten können oder einen Umweg nehmen oder fliegen müssen. Für diese Entscheidung ist eine Einschätzung des Abstands nötig. Wie aus den Experimenten hervorgeht, scheint das Bewegungssystem im Auge dabei mit dem räumlichen Sehen verbunden zu sein. Die Forscher ließen die Fliegen dazu auf einem drehbaren Rad mit kleinen Spalten laufen und beobachteten dabei die Bewegungen der Netzhäute. Dabei zeichneten sich charakteristische Reaktionen ab, die offenbar wichtig sind: „Wir konnten beobachten, dass Fliegen mit künstlich abgeschwächten Netzhautbewegungen die Spalten im Laufrad weniger effizient überquerten“, sagt Fenk. „Wenn sie ihre Netzhäute nicht richtig bewegen können, haben die Fliegen offensichtlich Schwierigkeiten, Spalten im Untergrund richtig einzuschätzen.“

Die Ergebnisse habe nun einige weitere Fragen aufgeworfen: Es erscheint etwa unklar, wie weit das System bei den vielen Vertretern der Gliedertiere verbreitet sein könnte. Fenk und ihre Kollegen wollen im Fall von Drosophila nun weiter ins Detail gehen: Sie werden der Frage genauer nachgehen, wie die Fliegen die Nervensignale verarbeiten, die von den bewegten Netzhäuten an das Gehirn weitergegeben werden. „Wir hoffen, dadurch weiter aufzuklären, welche Vorteile die Netzhautbewegungen den Fliegen für die visuelle Wahrnehmung bringen“, sagt Fenk.

Quelle: Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz, Fachartikel: Nature, doi: 10.1038/s41586-022-05317-5

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