E13 Durchflussmessung

Thema

Die Seitenlinie ist ein mechanosensorisches System, das sich über den gesamten Körper des Fisches erstreckt und Druck- und Strömungsstörungen im umgebenden Wasser erfasst. Sie fungiert als hydrodynamisches Sinnesorgan, das die Umgebung in der Nähe des Fischkörpers wahrnimmt. Ihre funktionellen Einheiten sind Neuromasten: Gruppen von Haarzellen, die von einer gallertartigen Kuppel umschlossen sind. Diese Kuppel wölbt sich aus, sobald ein Druckgradient oder eine Strömungsgeschwindigkeit auf sie einwirkt. Oberflächenneuromasten reagieren primär auf die lokale Strömungsgeschwindigkeit, während kanalisierte Neuromasten im Seitenlinienkanal auf Druckgradienten reagieren und empfindlicher auf zeitliche Strömungsänderungen sind.

Die Seitenlinie fungiert insgesamt als Detektor eines dynamischen Druckfeldes, das sich über den gesamten Körper des Fisches erstreckt: Sie registriert die Druckverteilung auf der Körperoberfläche. Aus dieser Druckverteilung lassen sich Informationen über die Strömungsstruktur um den Fisch herum gewinnen, darunter Position, Größe und Geschwindigkeit von Objekten in der Nähe, Fressfeinden, Beutetieren und sogar die Druckwelle, die ein anderer Fisch im selben Schwarm beim Schwimmen erzeugt. Die Bestimmung der Störungsquelle anhand der vom Seitenlinienorgan registrierten Drucksignale ist ein inverses Problem, analog zur Apertursynthese, die Radar und Sonar zur Positionsbestimmung eines Objekts anhand der empfangenen Signale nutzen.

Die Empfindlichkeit jedes Neuromastes lässt sich als die eines gedämpften Oszillators modellieren: Seine Kuppel besitzt eine effektive Masse, eine durch die Verbindungsfasern zum umgebenden Gewebe bedingte Steifigkeit und eine durch die Viskosität der umgebenden Flüssigkeit bedingte Dämpfung.

Das Frequenzverhalten dieses Neuromastes ist charakteristisch für ein System zweiter Ordnung. Dieses System ist durch eine Eigenfrequenz definiert, die von der Quadratwurzel des Verhältnisses zwischen Steifigkeit und effektiver Masse der Kuppel abhängt, sowie durch einen Gütefaktor, der von der Quadratwurzel des Produkts aus Steifigkeit und Masse, dividiert durch die Dämpfung des Systems, abhängt. Oberflächenneuromasten sind kritisch gedämpft und weisen eine niedrige Eigenfrequenz im Bereich von nur einem bis zehn Hertz auf, während kanalisierte Neuromasten ein deutlich flacheres Frequenzverhalten über einen Bereich bis zu zweihundert Hertz zeigen.

Das Frequenzverhalten dieses Neuromastes ist über einen Frequenzbereich bis zu zweihundert Hertz deutlich flacher. Das zu erwartende Verhalten der Seitenlinie besteht darin, dass ihre Schwelle zur Erkennung der Strömungsgeschwindigkeit bei nur einem Mikrometer pro Sekunde liegt und dass sie dank dieser extremen Empfindlichkeit bewegungslose Beutetiere in völliger Dunkelheit in Entfernungen zwischen einer und zwei Körperlängen des Fisches selbst erkennen kann, indem sie diese Information aus dem gleichen verteilten dynamischen Druckfeld gewinnt, das zu Beginn dieses Modells beschrieben wurde.

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