Forscher unter der Leitung von Yoshihiro Yoshihara am RIKEN Center for Brain Science in Japan haben ein Fischrätsel aus dem Jahr 1938 gelöst: Was ist der Schreckstoff – oder Alarmstoff –, den Fische riechen, wenn ihre Schwarmkameraden verletzt sind?
Im neue Studieveröffentlicht in Aktuelle BiologieExperimente ergaben, dass es sich bei der Substanz tatsächlich um zwei Substanzen handelt, die jeweils unterschiedliche Informationen übermitteln. Erst wenn beide chemischen Signale erkannt werden, reagieren Fische mit einer Flucht-oder-Frost-Reaktion. Diese Art der biologisch kodierten Zufallserkennung bestimmt wahrscheinlich zahlreiche Arten von Sozialverhalten bei Tieren, einschließlich Menschen.
Im Jahr 1938 entdeckte der Nobelpreisträger Karl von Frisch, dass sich ein Schwarm Elritzen so verhielt, als ob ein Raubtier in der Nähe wäre, wenn eine verletzte Elritze in ihr Becken gesetzt wurde. Dieser Abwehrmechanismus ermöglicht es Fischen, Gefahren zu vermeiden, auch wenn sie selbst kein Raubtier direkt entdeckt haben. von Frisch vermutete, dass etwas Schreckstoff aus der Haut der verletzten Elritze freigesetzt wurde und von seinen Schwarmkameraden über ihren Geruchssinn, den sogenannten Geruchssinn, wahrgenommen wurde.
Seitdem haben Wissenschaftler herausgefunden, dass sich Fische der Überordnung Ostariophysi, die etwa 75 % aller Süßwasserfische ausmacht, ähnlich verhalten, allerdings nur, wenn der verletzte Fisch derselben Art angehört. Doch trotz langjähriger Forschung blieb die Identität der Alarmstoffe bislang ein Rätsel.
„Viele Forscher haben versucht, mithilfe von Hautextrakten verschiedener Fischarten Alarmstoffe zu reinigen und zu identifizieren“, erklärt Yoshihara. „Das Besondere an unserer Studie und der Grund für unseren Erfolg war, dass wir eine völlig andere Art der Screening-Methode gewählt haben.“
In früheren Studien untersuchten Wissenschaftler Substanzen zur Reinigung, indem sie einzelne Chemikalien in Fischtanks warfen und beobachteten, wie Fische reagierten. Dann berichteten sie über die Substanzen, die die größte Angstreaktion auslösten. Allerdings waren die Ergebnisse oft nicht zuverlässig oder wiederholbar.
In der neuen Studie untersuchte Yoshiharas Team Substanzen anhand der Gehirnaktivität. Sie warfen beschädigte Zebrafischhaut in ein Zebrafischbecken und verwendeten dann Immunhistochemie, um zu visualisieren, welche Teile des Riechkolbens des Fischhirns reagierten.
Als nächstes wiederholten sie das gleiche Experiment mit beschädigter Haut von zwei anderen Fischarten: Goldfischen, die zur gleichen Ostariophysi-Überordnung gehören, und Medaka, die nicht dazu gehören.
Sie fanden heraus, dass drei olfaktorische Gehirnregionen auf die geschädigte Haut reagierten. Einer war unspezifisch und reagierte auf alle drei Arten geschädigter Haut, einer war überordnungsspezifisch und reagierte nur auf die Haut von Goldfischen und Zebrafischen, und einer war zebrafischspezifisch. Da Medakas keine Alarmreaktionen haben und Zebrafische kaum auf beschädigte Goldfischhaut reagierten, kamen die Forscher zu dem Schluss, dass zwei chemische Signale für das Auftreten des Verhaltens notwendig seien: ein überordnungsspezifischer Geruch, der „Gefahr“ signalisiert! und ein artspezifischer Geruch, der „für uns“ signalisiert.
Mit einem fortschrittlichen System, das sie zuvor entwickelt hatten, reinigten die Forscher biochemisch genau das Molekül, das für die Zebrafisch-spezifische Gehirnreaktion verantwortlich ist. Sie nannten es „Daniolsulfat“, weil Zebrafische zur Gattung Danio gehören. Anschließend identifizierten sie mithilfe einer speziellen Art von Chromatographie in Verbindung mit der Kalziumbildgebung des Gehirns das Molekül, das die Ostariophysi-spezifische Geruchsreaktion hervorruft, und nannten es Ostariopterin.
Als sie die Haut zahlreicher Fischarten untersuchten, stellten sie im Einklang mit ihrer Theorie fest, dass Daniolsulfat nur bei Zebrafischen vorkommt, während Ostariopterin bei zahlreichen Fischarten aus der Ostariophysi-Überordnung beobachtet wurde.
Um ihre Theorie zu testen, wiederholten die Forscher ihre Experimente mit diesen Verbindungen anstelle von geschädigter Haut. Zebrafische zeigten zwar die charakteristische starke Angstreaktion, aber wie vorhergesagt nur, wenn sowohl Daniolsulfat als auch Ostariopterin ins Wasser gegeben wurden. Darüber hinaus beobachteten die Forscher nur in diesem Zustand eine Aktivität in der Amygdala des Zebrafisches, einer Gehirnregion, von der bekannt ist, dass sie die Angstreaktion selbst steuert. Daher ist es wahrscheinlich, dass in dieser Region eine Koinzidenzerkennung stattfindet.
„Artgenossengerüche können zahlreiche Verhaltensweisen auslösen, und es ist bekannt, dass sogar Menschen auf Gerüche anderer Menschen reagieren“, sagt Yoshihara. „Diese Art von biologischem Zwei-Faktor-Nachrichtensystem könnte daher ein gemeinsames Thema sein, das vielen Arten sozialer Kommunikation durch Geruchssinn zugrunde liegt.“
Mehr Informationen:
Miwa Masuda et al, Identifizierung olfaktorischer Alarmsubstanzen im Zebrafisch, Aktuelle Biologie (2024). DOI: 10.1016/j.cub.2024.02.003