Elefantenrüsselfisch

Fisch mit Elektro-Sinn

Der kleine, afrikanische Süßwasserfisch mit dem lustigen Namen sieht nicht nur ulkig aus, sondern ist auch sehr interessant für die Forschung. Denn der Elefantenrüsselfisch hat einen "Elektro-Sinn". Jetzt wurde nach seinem Vorbild eine Kamera entwickelt, die in Katastrophenfällen oder bei schlechter Sicht Bilder liefert, wenn andere Unterwasserkameras an ihre Grenzen stoßen. // Von Elena Eggert

Forscher der Universität Bonn haben den Kamera-Prototypen entwickelt, der sich den sogenannten Elektro-Sinn des Elefantenrüsselfisches zu Nutze macht. Dafür mussten sie erst einmal verstehen, wie der dämmerungs- und nachtaktive Fisch auch in trüben und dunklen Gewässer seine Beute fängt.

Kleiner Fisch mit besonderem Talent

Der Elefantenrüsselfisch hat Organe, die mit Hilfe von geringer elektrischer Spannung, ihre Umgebung erfassen können. Dieses Talent nennt sich aktive Elektroortung und ist einfach ein anderes Orientierungssystem.

Mit einer Elektrode in der Schwanzflosse erzeugt der Elefantenrüsselfisch kurze elektrische Impulse, mit einer Frequenz von 20 bis 80 Hertz. Dadurch entsteht um ihn herum ein schwaches elektrisches Feld. "An seinem Maul hat der Fisch eine zweite Elektrode, die das Feld nach vorne zieht", erklärt Professor Gerhard von der Emde, der zusammen mit Martin Gottwald und Hendrik Herzog an dem Projekt arbeitet.

Weitere hunderte Rezeptoren befinden sich auf der Haut des Fisches und besonders an seinem Kopf und dem rüsselartigen Kinn. Diese Rezeptoren erzeugen ein elektrisches Bild. Wenn der Fisch dieses elektrische Bild analysiert, erfährt er welche Größe, Form und Abstände die Gegenstände um ihn herum haben.

Kamera imitiert Fisch-Fähigkeit

 

So funktioniert auch der Prototyp der Kamera. Durch eine Senderelektrode an der dünnen Seite der Kamera wird ein schwach elektrisches Feld aufgebaut. Dieses erstreckt sich bis zu einer zweiten großen Elektrode, der Frontelektrode. Gegenstände, die sich in der Reichweite der Kamera befinden, verschieben die Feldlinien. Diese Veränderungen werden durch 49 Mess-Elektroden erkannt. Das Ergebnis ist ein verwaschenes elektrische Bild, das weiter analysiert werden muss.

Bei ersten Messungen mit der Kamera wurden einzelne elektrische Impulse erzeugt und die Messelektroden mussten einzeln ausgewertet werden, bis ein komplettes Bild errechnet werden konnte. Die Entstehung eines einzelnen Bildes dauerte etwa 30 Minuten. Die Messung einer Elektrode entspricht einem Pixel des Bildes. "Mit Hilfe von sinusförmigen Signalen, statt einzelnen elektrischen Impulsen, entstehen Bilder mittlerweile bereits in etwa fünf Sekunden", sagt Hendrik Herzog.

Eine Künstliche Intelligenz (KI) sucht Informationen im Bild und macht diese sichtbar. Verschiedene Formen aus Metall und Kunststoff wurden mit der Kamera erfasst, damit die KI diese später wiedererkennen kann. Die Reichweite der Kamera ist sehr gering und abhängig vom Medium. Genau wie der Elefantenrüsselfisch funktioniert die Kamera nur in leitenden Medien, am besten in Süßwasser.

Grafik zeigt Funktionsweise der Kamera

Die weiß-blauen Linien stellen die elektrischen Feldlinien dar, diese verlaufen von der Senderelektroden im hinteren, dünneren Bereich zu den Messelektroden im vorderen Bereich sowie zur Frontelektrode (alle goldfarben). Der grüne schlauchförmige Gegenstand ist eine Pflanze. Quelle: Martin Gottwald/Hendrik Herzog

Der Unterschied zwischen optischen und elektrischen Farben

In Sekundenbruchteilen findet der Elefantenrüsselfisch auch in dunklen und trüben Gewässern Mückenlarven, seine Hauptnahrungsquelle. "Möglich ist dies durch die sogenannten elektrischen Farben", sagt Martin Gottwald von der Universität Bonn. Lebewesen haben durch ihren bestimmten Körperaufbau elektrische Eigenschaften und damit auch eine bestimmte elektrische Farbe.

Das menschliche Gehirn berechnet aus Rezeptoren für rotes, grünes und blaues Licht unterschiedliche Farben. Genauso berechnet der Elefantenrüsselfisch elektrische Farben aus elektrischen Signalen und kann so verschiedene Lebewesen farblich unterscheiden. Auch sein verhältnismäßig großes Gehirn macht das möglich. Das Gehirn des Fisches umfasst 3 Prozent seiner Körpermasse, das des Menschen umfasst nur 2,2 Prozent.

Dr. Hendrik Herzog, Martin Gottwald und Prof. Dr. Gerhard von der Emde zeigen die Kamera

Dr. Hendrik Herzog, Martin Gottwald und Prof. Dr. Gerhard von der Emde (von links) zusammen mit der von ihnen entwickelten Kamera. Quelle: Barbara Frommann/Uni Bonn

In einem Versuch haben die Bonner Forscher Minichips im Aquarium des Elefantenrüsselfisches verteilt, die unterschiedliche elektrische Farben hatten. Der Elefantenrüsselfisch hat daraufhin zielsicher die bis zu ein Millimeter großen Elektrochips verzehrt, die dieselbe Farbe hatten wie Mückenlarven. "Auch nach wochenlangen Versuchen hat sich daran nichts geändert", erklärt Martin Gottwald und schloss daraus, dass der Fisch seine Beute tatsächlich mithilfe der elektrischen Farben sucht.

Gegenstände suchen und Gewässererkundungen durchführen

Die elektrische Kamera ist für Situationen gedacht, in denen man mit optischen Kameras nicht mehr weiterkommt, zum Beispiel in dunklen und trüben Gewässern. Wenn Gegenstände im Wasser gesucht oder Gewässererkundungen durchgeführt werden, ist häufig das Technische Hilfswerk im Einsatz. Dieses ist bereits mit vielen technischen Geräten ausgestattet.

In zwei Standorten in Nordrhein-Westfalen gibt es Seiten-Sichtssonare und Unterwasserkameras, die zusammen eingesetzte werden, um Gegenstände Unterwasser zu suchen. Auch sogenannte Searchcams werden zum Suchen eingesetzt. Dieses Gerät umfasst eine Sonde, eine Kamera und ein Mikrofon. Unterwasserkamera und Searchcam haben beide das gleiche Problem. Wenn viel Sediment aufgewirbelt wird, sehen die Kameras nichts. "Das ist wie, wenn man bei starkem Schneefall das Fernlicht anschaltet und nur noch weiße Flocken sieht", sagt Ralf Beyer Technischer Fachberater beim THW. Außerdem ist die Auflösung bislang nicht hoch genug, um kleine Gegenstände wie zum Beispiel Handys zu finden.

Neben dem Suchen von Gegenständen werden Kameras vor allem gebraucht um Gewässererkundung durchzuführen. Bei Überschwemmungen ist es beispielsweise wichtig zu wissen, ob Gebäude unterspült werden und einsturzgefährdet sind oder ob Dämme und Regenrückhaltebecken beschädigt sind und brechen könnten. Für diese Situationen werden neben den anderen technischen Mitteln auch Wärmebildkameras eingesetzt. Doch da sich Temperaturen im Wasser schnell angleichen, werden auch diese relativ schnell funktionslos.

Wenn Kameras nicht weiterhelfen, werden Taucher eingesetzt, vorausgesetzt die Selbstgefährdung ist nicht zu hoch. Außerdem werden Baufachberater des THWs zurate gezogen. "Es wäre schon einfacher, wenn man in mancher Situation ein technisches Gerät hätte, das mehr kann als die, die wir schon haben. Andererseits sind Erfahrung und Bauchgefühl auch wichtig. Ohne geht es nicht!", sagt Ralf Beyer.

Der Herzkatheter: Die erste praktische Anwendung der Elektroortung

Zusammen mit dem Forschungszentrum Jülich haben die Forscher der Universität Bonn auch an einem Herzkatheter geforscht, dessen Prototyp sie 2009 auf der Hannover Messe vorgestellt haben. Der Katheter funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie der Elefantenrüsselfisch und wird daher auch Elektrofischkatheter genannt. Der medizinische Sensor besitzt Ringelektroden, die ein schwaches elektrisches Feld aufbauen und damit die Arterienwände elektrisch abtasten können. Gefährliche instabile Plaques, also Ablagerungen in den Arterien, können so gefunden werden. Wenn diese unentdeckt bleiben und platzen, kann das einen Herzinfarkt auslösen.

Die Entwicklung vom Prototypen bis zum aktuellen Elektrofischkatheter, hat Professor Reza Wakili von der Uniklinik in Essen maßgeblich begleitet. Demnach ist die Uniklinik in Essen die erste Klinik in Deutschland, die die neue Technik anwenden darf. Professor Reza Wakili hat den Herzkatheter, der so dünn ist wie eine Kugelschreibermine, bereits über 50 Mal eingesetzt.

Aktive und passive Elektroortung

Die Elektroortung des Elefantenrüsselfisches setzten auch andere Fische und Amphiben ein. Dieses Orientierungssystem wird aktiv und passiv genutzt. Der Elefantenrüsselfisch beherrscht die aktive Elektroortung, in dem er selbst ein elektrisches Feld erzeugt. Andere Tiere wie Haie und Rochen nutzen die passive Elektroortung. Da sie selbst keine elektrischen Felder erzeugen können, orientieren sie sich an äußeren Felder. Das kann das Erdmagnetfeld sein oder auch die elektrischen Signale anderer Tiere.
Die aktive Elektroortung ist nicht bei allen Fischen gleich. Während der afrikanische Elefantenrüsselfisch einzelne elektrische Impulse abgibt, erzeugen südamerikanische Süßwasserfische sinusförmige Signale. Damit die Elektroortung funktioniert, ist jedoch immer ein leitendes Medium, wie Wasser, notwendig. Lange Zeit wurde vermutet, dass nur Fische und Amphibien die Elektroortung nutzen. Doch auch das Schnabeltier setzt die passive Elektroortung ein und 2011 fand der Forscher Wolf Hanke von der Universität Rostock heraus, dass auch Delphine diese nutzten.

Teaserbild: Der schwach elektrische Elefantenrüsselfisch hat sein Maul immer geöffnet, um die Elektrode am Maul besser nutzen zu können. Sein Rüssel an dem besonders viele Rezeptoren liegen ist eigentlich nur ein verlängertes Kinn. Quelle: Maik Dobiey/Uni Bonn

Die Autorin:

Elena Eggert

Elena Eggert

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