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Die Grundlagen des Wissens

Evolution Leseprobe: Die Erfindung der Sinne

Wie die Natur im Laufe von Jahrmillionen aus simplen Sensoren hochempfindliche Sinnesorgane geschaffen hat

Eigentlich ist es höchst erstaunlich: Selbst wenn wir unbeweglich auf einem Fleck verharren und nicht hin und her laufen, um den Raum zu erkunden, zeichnet unser Gehirn ein detailliertes, aktuelles Bild der Umgebung und dessen, was darin geschieht. Das ist möglich, weil wir mit hochempfindlichen Sinnesorganen ausgestattet sind, die Informationen aus der Umwelt regelrecht aufsaugen.

Sitzen wir etwa auf einem Stuhl in der Sonne, spüren wir mithilfe unseres Tastsinns das Holz am Rücken, die Lehnen, auf denen unsere Arme ruhen, und den Boden unter den Füßen. Wir fühlen die Wärme, der Gleichgewichtssinn bestätigt uns, dass wir aufrecht sitzen, und die Nase übermittelt den Duft eines frisch gemähten Rasens ans Gehirn. Die Ohren empfangen Schallwellen aus zig Metern Entfernung, bezeugen vielleicht das quirlige Palaver einer Gruppe von Schulkindern oder das Röhren eines Lkw, der in der Ferne vorbeidonnert.

Noch viel detailreicher sind die Informationen, die unsere Augen aufnehmen. Sie übermitteln die Gesichtszüge der Kinder, die Farben ihrer Kleidungsstücke, die Silhouette des Lkw und den verwirbelnden Qualm seines Auspuffs.

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DIE WELTSICHT DER INSEKTEN: Ganz anders als bei uns Menschen sind die Sinne der Gliederfüßer konstruiert: Ihre Geruchsorgane sitzen oben auf dem Kopf an meist langen Antennen; die Gehörorgane befinden sich häufig an den Beinen, am Brustende oder am Hinterleib. Und ihre Komplexaugen sind aus vielen Einzelaugen zusammengesetzt. Dennoch sind ihre Sinne ähnlich leistungsfähig wie die der Wirbeltiere, sie registrieren genauso Schall und Licht, schmecken oder riechen. Weil sich aber die Insekten vor mehr als 400 Millionen Jahren aus anderen Vorfahren als die Wirbeltiere entwickelten, hat die Evolution ihre Sinnesorgane auf eigene Weise geformt

Weit in die Ferne reicht unsere Sehkraft. Die Lichtstrahlen, die wir von der Sonne empfangen, stammen aus 150 Millionen Kilometer Entfernung. Und in einer klaren Nacht können wir sogar die Andromeda-Galaxie als schwachen Schimmer sehen, deren Strahlen aus rund zweieinhalb Millionen Lichtjahren Entfernung (ein Lichtjahr entspricht etwa 9,5 Billionen Kilometern) durch die Weiten des Alls zu uns reisen.

Dass wir mithilfe unserer Sinne einen derart reichhaltigen Eindruck gewinnen können, dient allerdings nicht unserer Erbauung, sondern ist einfach eine Frage des Überlebens. Denn weder Menschen noch Tiere könnten in der Welt bestehen, hätten sie nicht Kenntnis von ihrer Umwelt.

Die Notwendigkeit, Informationen über seine Umgebung zu gewinnen, ist deshalb so alt wie das Leben selbst.

Nur wer sich in der Welt orientieren, Nahrungsquellen nutzen und Feinden entkommen konnte, vermochte sich zu behaupten und Nachkommen zu zeugen. Daher reicht der Ursprung der Sinne in eine Epoche vor mehr als 3,5 Milliarden Jahren zurück.

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DAS OHR AM KNIE: Durch schlitzförmige Öffnungen gelangen Schallwellen in das Gehörorgan im Bein der Heuschrecke und bringen eine Membran zum Schwingen. Nervenzellen registrieren die Vibration und senden die Information als elektrischen Impuls zum Gehirn des Insekts

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FRÜHES SCHMECKEN: Schon vor zwei Milliarden Jahren können Einzeller (hier ein Pantoffeltierchen) Futterstoffe gezielt registrieren

Zu jener Zeit laufen an heißen Quellen in den Tiefen der Urozeane erstaunliche, äußerst komplexe biochemische Prozesse ab. Wie in einer Hexenküche brodeln unterschiedlichste Moleküle durcheinander, reagieren, bilden immer komplexere Verbindungen – und fügen sich schließlich zu ersten einfachen Lebewesen zusammen. Es sind simple Kreaturen, vermutlich so ähnlich gebaut wie heutige Bakterien.

Und dennoch können sich diese Gebilde bereits in ihrer Umwelt zurechtfinden. Sie sind in der Lage, Nahrung zu entdecken, schädliche Einflüsse zu identifizieren und Hindernisse zu umgehen. Doch wie vermögen Wesen, die weder über Augen, Ohren und Nasen noch über Tastorgane verfügen, solche Leistungen zu erbringen?

Sie machen das vermutlich ähnlich wie heute lebende Bakterien. Und schaffen so die Grundlage für Fähigkeiten, die auch höher entwickelte Kreaturen Jahrmilliarden später zur Sinneswahrnehmung nutzen werden.

Obwohl die frühen Einzeller zu den am einfachsten gebauten und kleinsten Lebewesen gehören, finden sich in ihnen Tausende unterschiedlicher Biomoleküle. Und allein auf der Hülle, die sie umgibt und nach außen begrenzt, sitzen Dutzende spezielle Moleküle, die Erstaunliches können: Sie vermögen chemische Stoffe zu detektieren.

Einige dieser Chemorezeptoren erkennen Nahrung oder Baustoffe – etwa Zucker oder Aminosäuren –, andere reagieren auf Gifte, beispielsweise auf gefährliche Schwermetalle.

Auf diese Weise sind die winzigen Lebewesen in der Lage, etliche chemische Substanzen wahrzunehmen – gewissermaßen zu schmecken.

Das sind aber noch nicht alle Sinnesleistungen, zu denen die urtümlichen Geschöpfe fähig sind.

Denn sie können auch ein wenig "fühlen": In ihrer Membran finden sich sogenannte Mechanorezeptoren, die ihnen signalisieren, wenn sie gegen ein Hindernis stoßen. Das ist die denkbar einfachste Form eines Tastsinns.

Doch was nützen den primitiven Einzellern solche Informationen aus der Außenwelt? Sie sind fürs Überleben erst dann sinnvoll, wenn die Kreaturen auch in der Lage sind, auf die Signale zu reagieren. Und das können sie tatsächlich. Denn zumindest manche von ihnen vermögen sich mithilfe einer Art Motor zu bewegen.

Vermutlich besitzen sie Geißeln, wie sie auch heute bei vielen Bakterien vorkommen – winzige Eiweißfäden, die auf der Zellmembran sitzen, rotieren können und dadurch die Einzeller wie eine Schiffsschraube vorantreiben.

Das Besondere daran: Die Geißeln lassen sich in zwei Richtungen drehen. Rotieren sie gegen den Uhrzeigersinn, bewegen sich die Zellen voran. Drehen sie sich mit dem Uhrzeigersinn, taumeln die Bakterien ziellos umher.

Bereits mit diesem einfachen Rüstzeug haben die Einzeller gute Chancen im Überlebenskampf. Signalisieren ihre Rezeptoren zum Beispiel Zuckermoleküle, schwimmen sie mithilfe ihres Motors kurze Zeit voran. Dann messen sie erneut den Zuckergehalt in der Umgebung. Hat dessen Menge zugenommen, ist klar, dass sie sich auf dem richtigen Weg zur Nahrungsquelle befinden, die Einzeller setzen ihre Bewegung fort.

Hat die Zuckermenge dagegen abgenommen, sind die Winzlinge auf dem falschen Weg. Sie stoppen, lassen ihre Geißeln in die Gegenrichtung rotieren und schlingern ein wenig umher. Dadurch geraten sie in eine neue Lage, die eine neue Bewegungsrichtung vorgibt. Nun legen sie wieder den Vorwärtsgang ein und probieren aus, ob sie dieses Mal der Futterquelle näherkommen.

Genau umgekehrt verhalten sich die Einzeller, wenn sie schädliche Stoffe registrieren oder gegen ein Hindernis stoßen. In diesen Fällen stoppen sie und schlagen eine neue Richtung ein – in der Hoffnung, den Giften oder dem Hindernis auszuweichen.

Nach diesem Prinzip ist es den bakterienähnlichen Kreaturen vermutlich bereits in der Frühzeit des Lebens möglich, sich in ihrer ozeanischen Umwelt zu orientieren. Einem Teil von ihnen reichen der chemische Sinn und das einfache Tastvermögen.

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Geraten gelöste Zuckermoleküle an Rezeptoren auf ihrer Hülle, löst dies Signale aus, die Kalziumteilchen durch Kanäle in die Zelle strömen lassen. Als Reaktion beginnen die Wimpernhärchen des Einzellers zu rudern – dorthin, wo die Rezeptoren eine größere Konzentration an Zuckermolekülen wahrnehmen

Andere dagegen entwickeln bald eine folgenreiche Neuerung: Pigmente, die auf Licht reagieren.

Ob ihnen diese Farbstoffe anfangs nur dazu dienen, sich vor zu viel Sonnenlicht zu schützen – vor allem den zerstörerischen UV-Strahlen –, lässt sich nicht mehr ermitteln. Klar ist aber, dass es manchen Einzellern gelingt, mithilfe der lichtempfindlichen Pigmente festzustellen, wo es hell ist und wo dunkel. Es ist die Geburtsstunde eines neuen Sinns, der sich einst als der wohl wichtigste überhaupt erweisen wird: das Sehvermögen.

Bis sich das erste Auge entwickelt, vergeht aber noch viel Zeit. Zunächst beherrschen die einfachen Einzeller noch über Hunderte von Jahrmillionen die Meere.

Dann, vor zwei Milliarden Jahren, tauchen völlig neuartige Lebewesen auf. Aus heutiger Sicht mögen sie unspektakulär erscheinen, denn auch sie bestehen lediglich aus einer einzelnen Zelle. Doch sie sind hundertfach größer als die Bakterien und viel komplizierter aufgebaut.

Ihre Erbsubstanz ist in einem Zellkern eingeschlossen, und ihr Innenleben weist viele voneinander abgegrenzte Bereiche auf – so wie eine große Fabrik aus mehreren Abteilungen besteht, in denen geplant und entworfen oder jeweils etwas anderes gefertigt wird.

Und auch ihre Sinnesleistungen erreichen neue Qualitäten. Weil sie sehr viele Chemorezeptoren besitzen, die über ihren vergleichsweise großen Organismus verteilt sind, können sie zum Beispiel registrieren, wenn auf einer Seite ihres Körpers mehr Nährstoffe vorhanden sind als auf der anderen.

Sie können also die Richtung ermitteln, aus der ein Geschmack kommt, und dann gezielt darauf zuschwimmen.

Dabei helfen manchen von ihnen schon effektive Fortbewegungsmittel – etwa feine, haarähnliche Zellfortsätze, die den länglichen Körper dicht bedecken und zu koordinierten wellenförmigen Bewegungen fähig sind. Die Schlagrichtung dieser winzigen Ruder können die Einzeller umkehren und so rückwärts schwimmen, um etwa einem Hindernis auszuweichen, einem Feind zu entkommen oder einen Schadstoff zu vermeiden. Sie können die Härchen auch auf beiden Seiten unterschiedlich schlagen lassen und ihren Körper auf diese Weise beliebig herumdrehen.

Das alles sind erstaunliche Sinnesleistungen und Verhaltensweisen, die es bereits einem Einzeller erlauben, sich in seiner Welt zu orientieren, Futter zu finden und auf Bedrohungen zu reagieren.

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MULTIFUNKTIONSORGAN: Als wohl erste Vielzeller entwickeln die vor 700 Millionen Jahren entstandenen Quallen ein raffiniertes Sinnesorgan, das Rhopalium

Noch verblüffender aber ist, dass sich schon in dieser frühen Phase des Lebens jene grundlegenden Prinzipien entwickelt haben, nach denen später auch die Sinnesleistungen weitaus komplizierter gebauter Lebewesen funktionieren werden:

• Ein Rezeptor-Molekül auf der Hülle des Einzellers registriert einen Reiz aus der Außenwelt – etwa einen Geschmacksstoff, der sich an das Molekül bindet, eine mechanische Berührung oder einfallendes Licht. Dieser Reiz löst dort, wo der Rezeptor sitzt, eine Veränderung aus; ein elektrisches Signal entsteht.

• Dieses elektrische Signal pflanzt sich durch eine komplexe biochemische Reaktion entlang der Zellhülle fort.

• Das Signal bewirkt eine Reaktion, etwa eine Verhaltensänderung. Zum Beispiel kehrt sich die Schlagrichtung der Ruderhärchen eines Einzellers um. Es ist diese Kombination aus Rezeption eines Sinnesreizes, Signalweiterleitung und einer Verhaltensänderung, die für das Überleben einer riesigen Gruppe von Lebewesen entscheidend sein wird.

Der Tiere.

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Schweresteine drücken hier auf Sinneshaare, die so registrieren, wo oben und unten ist. Becheraugen ermitteln, wie das Licht einfällt. Nervenbahnen leiten diese Reize an das Nervensystem weiter. So kann das Tier feststellen, wo die Wasseroberfläche ist, und sich orientieren

Den ganzen Artikel lesen Sie in der GEOkompakt-Ausgabe Nr. 36 "Unsere Sinne".

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