E27 Schwerkraft, Beschleunigung und Rotation

Thema

Das Vestibularsystem des wahrnehmenden Individuums detektiert gleichzeitig Schwerkraft, lineare Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit mithilfe zweier unterschiedlicher Organtypen: Utriculus und Sacculus, die lineare Beschleunigung und Schwerkraft mithilfe ihrer Otolithen erfassen, und die drei Bogengänge, die Winkelbeschleunigung in den drei Raumebenen detektieren. Die Physik dieses gesamten Vestibularsystems entspricht letztlich der eines trägheitsmechanischen Sensors mit viskoser Dämpfung.

Jeder Otolith im Utriculus und Sacculus ist deutlich dichter als die ihn umgebende Endolymphe in denselben Organen. Dieser Dichteunterschied erzeugt eine resultierende Kraft, die die Stereozilien der direkt unter dem Otolithen liegenden Haarzellen auslenkt. Diese Auslenkung folgt der gleichen Kontakt- und Deformationsmechanik, die in einem anderen Modell dieses Systems für einen kutanen Mechanorezeptor beschrieben wurde. Die Auslenkung ist somit proportional zur linearen Beschleunigung, die auf den Otolithen wirkt, einschließlich der Schwerkraft, unter der dieses Modell geöffnet wurde. Genau diese Proportionalität ermöglicht es dem Gehirn des Wahrnehmenden, seine eigene Orientierung relativ zur Vertikalen zu bestimmen, und zwar exakt gemäß der aktiven Schlussfolgerung über diese Umgebung, die bereits in einem anderen Modell dieses Systems etabliert wurde. Je größer die lineare Beschleunigung des Otolithen ist, desto größer ist die Auslenkung der darunter liegenden Stereozilien.

Die Dynamik jedes Bogengangs in diesem Vestibularsystem entspricht jedoch der eines schwach gedämpften Oszillators: Dieser Bogengang reagiert auf die Winkelgeschwindigkeit des Wahrnehmenden, nicht auf dessen Winkelposition, und erfasst somit nur den Beginn und das Ende einer Rotation desselben Körpers. Rotiert dieser Körper über einen längeren Zeitraum mit konstanter Winkelgeschwindigkeit, klingt das Signal dieses Bogengangs folglich auf einen deutlich niedrigeren stationären Zustand ab, genau entsprechend der Anpassung eines biologischen Sensors, die in einem anderen Modell dieses Systems etabliert ist: Dasselbe Vestibularsystem passt sich dieser nun konstanten Rotation an und erzeugt die bekannte Gyroskop-Illusion, bei der der Beobachter die Rotation nicht mehr wahrnimmt, obwohl er sie in Wirklichkeit noch ausführt. Wird diese Körperrotation über einen längeren Zeitraum mit konstanter Winkelgeschwindigkeit aufrechterhalten, klingt das Signal dieses Bogengangs folglich weiter ab und erreicht diesen niedrigeren stationären Zustand.

Die mechanoelektrische Transduktion der Haarzellen in diesem Vestibularsystem folgt einer sigmoidalen Kurve in Reaktion auf die Auslenkung ihrer Stereozilien: Der Ionenstrom durch diese Kanäle der Haarzelle ist maximal, wenn die Stereozilien zu einer bestimmten Seite der Zelle gebogen sind, und minimal, wenn sie zur gegenüberliegenden Seite gebogen sind. Die für den Übergang vom minimalen zum nahezu maximalen Strom erforderliche Auslenkung ist daher außerordentlich gering und letztlich vergleichbar mit der Länge einer einzelnen Atombindung – eine extreme Empfindlichkeit, die derjenigen eines anderen Modells dieses Systems für einen besonders empfindlichen biologischen Sensor sehr ähnlich ist. Die Tatsache, dass die Auslenkung der Stereozilien dieser Haarzelle stärker zu dieser bestimmten Seite der Zelle hin gerichtet ist, bedeutet, dass der Ionenstrom durch sie gemäß derselben sigmoidalen Kurve seinem Maximalwert näher kommt.

Dieses Modell mit seinen Otolithen und Bogengängen ermöglicht es daher nahezu allen Organismen mit Nervensystem, die Schwerkraft als absolute vertikale Referenz zu nutzen: Die Statocyste eines marinen Wirbellosen, das Vestibularsystem eines Wirbeltiers und selbst die Statocyste einer Pflanze in ihren Wurzelzellen nutzen alle dasselbe physikalische Prinzip, das zur Entstehung dieses Modells führte – ein dichter Körper, der unter dem Einfluss der Schwerkraft sinkt und dadurch eine elastische Struktur verformt, welche wiederum einen spezifischen Sensor aktiviert. Die Winkelauflösung dieses menschlichen Vestibularsystems ist somit ausreichend, um die Körperhaltung zu kontrollieren, wenngleich deutlich geringer als die zuvor erwähnte extreme Empfindlichkeit der Haarzellen.

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