E15 Aktive und passive Elektrorezeption

Thema

Elektrorezeption ist die Fähigkeit, elektrische Felder im Wasser wahrzunehmen. Sie kommt bei Haien, Rochen, Süßwasser-Elektrofischen – sowohl schwachen als auch starken – und einigen Knochenfischarten vor. Diese Fähigkeit tritt in zwei Formen auf: passive Elektrorezeption, bei der der Fisch externe elektrische Felder wahrnimmt, darunter auch solche, die unbeabsichtigt von anderen Organismen durch deren eigene biologische Aktivität erzeugt werden, und aktive Elektrorezeption, bei der der Fisch sein eigenes elektrisches Feld erzeugt und Störungen durch Objekte in seiner Umgebung detektiert, ähnlich wie ein aktives Sonar Objekte durch Aussendung eines eigenen Signals ortet.

Das elektrische Feld, das ein schwach elektrischer Fisch durch die Entladung seines elektrischen Organs erzeugt, wird als elektrischer Dipol modelliert: Die Potenzialdifferenz zwischen dem Kopf des Fisches, der als negativer Pol fungiert, und seinem Schwanz, der als positiver Pol fungiert, erzeugt Feldlinien, die sich durch das leitfähige Wasser ausbreiten. Dieses Dipolfeld nimmt mit dem Kehrwert der dritten Potenz der Entfernung in der Nähe des Fisches ab, ein so steiler Abfall, dass die Reichweite der Elektroortung auf nur ein bis zwei Körperlängen des Fisches beschränkt ist.

Wenn ein Objekt in dieses Dipolfeld eintritt, beeinflusst es dieses je nach seinen elektrischen Eigenschaften unterschiedlich: Ein leitfähiges Objekt, wie beispielsweise Beute oder ein anderer Fisch, konzentriert die Feldlinien auf sich, während ein resistives Objekt, wie etwa ein Stein, sie von sich weg streut.

Diese Störungen des Dipolfeldes werden von den Elektrorezeptoren der Fische wahrgenommen – den Lorenzinischen Ampullen bei Knorpelfischen oder den Tuberkeln bei Süßwasserfischen. Diese Ionenkanäle reagieren auf Potenzialdifferenzen von nur einem bis zehn Nanovolt pro Zentimeter, wodurch die Elektrorezeption der empfindlichste bekannte Sinn in der gesamten Biologie ist.

Die Verteilung des elektrischen Potenzials im Wasser um den Fisch herum, sowohl in seinem eigenen Dipolfeld als auch im Feld externer Stromquellen, folgt dem verallgemeinerten Ohmschen Gesetz für das kontinuierliche aquatische Medium: Das elektrische Potenzial an jedem Punkt im Wasser wird durch die Verteilung der Stromquellen und die Leitfähigkeit des Wassers bestimmt, analog zur Poisson-Gleichung für jedes Potenzialfeld, das von räumlich verteilten Quellen erzeugt wird.

Die Störung, die ein Objekt in dieses Feld einbringt, lässt sich als Differenz zwischen der Lösung dieses Potenzialverteilungsproblems mit und ohne Objekt berechnen – ein Randbedingungsproblem vom gleichen Typ wie das der Laplace-Gleichung. Erwartungsgemäß skaliert diese Störung mit der Leitfähigkeitsdifferenz zwischen Objekt und Wasser, mit dem Volumen des Objekts und mit dem Kehrwert des Kubus des Abstands zum Objekt – derselbe steile Abfall mit zunehmendem Abstand, der, wie zu Beginn dieses Modells beschrieben, die Reichweite der aktiven Elektroortung des Fisches begrenzt.

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