Wenn alles nach Plan läuft, wird 2019 das lange verzögerte James-Webb-Weltraumteleskop endlich in die Umlaufbahn gebracht. Nach dem Zusammenbau wird es eine Anordnung von 18 sechseckigen Spiegeln verwenden, um das Licht entfernter Galaxien zu sammeln und zu bündeln. Dieses Design mit segmentierten Spiegeln wurde in den 1980er Jahren entwickelt und war so erfolgreich, dass es in fast allen großen Teleskopen, die in naher Zukunft gebaut werden, zum Einsatz kommen wird.
Aber wie immer war die Natur zuerst da. Seit Millionen von Jahren betrachten Jakobsmuscheln die Welt mit Dutzenden von Augen, von denen jedes einen segmentierten Spiegel hat, der denen in unseren größten Teleskopen verblüffend ähnlich ist. Und Wissenschaftler haben gerade zum ersten Mal einen guten Blick auf eine dieser Muscheln geworfen.
Ja, diese Muscheln – die in der Pfanne gebratenen Pucks aus weißem Fleisch, die unsere Teller zieren. Diese Pucks sind nur die Muskeln, mit denen die Tiere ihre schönen Schalen schließen. Schauen Sie sich eine volle, lebende Jakobsmuschel an, und Sie werden ein ganz anderes Tier sehen. Und dieses Tier schaut Sie mit Dutzenden von Augen an, die den fleischigen Mantel an den Innenseiten der Schale säumen. Manche Arten haben bis zu 200 Augen. Andere haben elektrisch-blaue Augen.
Im Inneren der Augen wird es noch merkwürdiger. Wenn Licht in ein menschliches Auge eintritt, passiert es eine Linse, die es auf die Netzhaut bündelt – eine Schicht lichtempfindlicher Zellen. Wenn das Licht in ein Muschelauge eintritt, passiert es eine linsenähnliche Struktur, die … anscheinend nichts tut. Dann durchläuft es zwei übereinander liegende Netzhäute. Schließlich trifft es auf einen gekrümmten Spiegel im hinteren Teil des Auges, der es zurück auf die Netzhäute reflektiert. Dieser Spiegel, und nicht die Linse, fokussiert das einfallende Licht, ähnlich wie die Linsen in Teleskopen.
Michael Land von der Universität Sussex entdeckte dies in den 1960er Jahren, indem er die Augen unter dem Mikroskop genau unter die Lupe nahm und den Weg verfolgte, den das Licht in ihnen nehmen muss. Er identifizierte den Spiegel, zeigte, dass er aus geschichteten Kristallen besteht, und schlug vor, dass die Kristalle aus Guanin bestehen – einem der Bausteine der DNA. „Es ist sehr beeindruckend, wie Land mit ziemlich einfachen Ansätzen mit so ziemlich allem richtig lag“, sagt Daniel Speiser von der University of South Carolina, der ebenfalls Muschelaugen untersucht. „
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Das Problem ist, dass leistungsstarke Mikroskope dazu neigen, Proben während der Analyse zu dehydrieren, was die Anordnung der Kristalle des Spiegels zerstören würde. Jetzt hat Lia Addadi vom Weizmann Institute of Science einen Weg gefunden, dieses Problem zu umgehen. Ihr Team, dem auch Benjamin Palmer und Gavin Taylor angehören, verwendete ein Mikroskop, das Proben schnell einfriert, so dass alles darin an der richtigen Stelle bleibt. Sie haben schließlich die Struktur des Spiegels in allen Einzelheiten rekonstruiert und dabei viele von Lands Ideen bestätigt und andere ergänzt.
Der Spiegel besteht aus flachen, quadratischen Guaninkristallen, die jeweils einen Millionstel Meter breit sind. Sie fügen sich zu einem schachbrettartigen Gitter zusammen. Zwischen 20 und 30 dieser Gitter werden dann übereinander gestapelt, mit einem flüssigkeitsgefüllten Zwischenraum zwischen ihnen. Und die Schichten sind so angeordnet, dass die Quadrate in jeder Schicht direkt unter den Quadraten in der darüber liegenden Schicht liegen. Die Kristalle und die Lücken zwischen ihnen sind 74 bzw. 86 Milliardstel Meter dick, und diese exakten Abstände bedeuten, dass der Spiegel als Ganzes hervorragend blaugrünes Licht reflektiert – die Farbe, die im Unterwasserlebensraum der Jakobsmuschel dominiert.
Die gesamte Struktur ist eine Meisterklasse der Feinmechanik. „Wenn es eine elegante physikalische Lösung gibt, ist der Evolutionsprozess sehr gut darin, sie zu finden“, sagt Alison Sweeney, eine Physikerin an der Universität von Pennsylvania, die sich mit dem Sehvermögen von Tieren befasst.
Diese Präzision ist umso bemerkenswerter, als Guaninkristalle von Natur aus nicht zu dünnen Quadraten geformt werden. Wenn man sie im Labor züchtet, erhält man ein klobiges Prisma. Es ist offensichtlich, dass die Jakobsmuschel das Wachstum dieser Kristalle aktiv steuert und sie während ihrer Entstehung formt. Die Guaninkristalle wachsen in Schichten, und Addadi vermutet, dass die Jakobsmuschel die Ausrichtung jeder Schicht um 90 Grad im Verhältnis zu den Schichten darüber und darunter verschiebt. Wenn die Schichten nach außen wachsen, tun sie dies in nur vier Richtungen, wodurch ein Quadrat entsteht. Wie sie das macht, ist ein Rätsel, wie auch alles andere über die Art und Weise, wie sich die Spiegel bilden.
Außerdem ist der Spiegel keine leblose Struktur im Auge. Er ist ein lebendes Ding. Die quadratischen Kristalle wachsen in den Zellen des Auges der Jakobsmuschel und füllen sie aus. Es sind die Zellen, die sich dann mosaikartig zu den Schichten zusammenfügen. „Die Zellen können nicht tot sein“, sagt Addadi, „sonst würde das Ganze auseinanderbrechen.“ Die Zellen müssen also nicht nur das Wachstum der Kristalle in ihrem Inneren kontrollieren, sondern auch miteinander kommunizieren, um sich genau so anzuordnen. „Wie machen sie das? Ich weiß es wirklich nicht“, fügt sie hinzu.
Was auch immer ihr Trick ist, er führt eindeutig zu Ergebnissen. Die Sehkraft der Jakobsmuschel wird in absehbarer Zeit nicht mit der unseren konkurrieren können, aber sie ist weitaus schärfer, als man es bei einem Tier erwarten würde, das im Grunde genommen eine schicke Muschel ist. Speiser demonstrierte dies vor einem Jahrzehnt, indem er Jakobsmuscheln in kleine Sitze setzte und Filme mit schwebenden Nahrungspartikeln abspielte. Selbst wenn die Partikel nur 1,5 Millimeter breit waren, öffneten die Muscheln ihre Schalen und waren bereit zu fressen. „Die Vorstellung, dass diese Tiere mit ihren Augen wirklich schöne Bilder erzeugen, erscheint mir sehr solide“, sagt Speiser.
Addadis Team hat auch festgestellt, dass der Spiegel der Jakobsmuschel im Verhältnis zu ihren Netzhäuten leicht geneigt ist. Dadurch fokussiert der Spiegel das Licht aus dem Zentrum des Gesichtsfeldes des Tieres auf die obere Netzhaut und das Licht aus der Peripherie auf die untere. Vielleicht ist das der Grund, warum das Tier zwei Netzhäute hat: Sie ermöglichen es ihr, sich auf verschiedene Teile ihrer Umgebung gleichzeitig zu konzentrieren.
„Das ist eine wirklich erstaunliche Studie“, sagt Jeanne Serb von der Iowa State University, die ebenfalls die Augen der Jakobsmuschel untersucht hat. Sie trägt dazu bei, das Rätsel der doppelten Netzhaut zu lösen – etwas, das Wissenschaftler seit langem erfolglos zu erforschen versucht haben.
Aber Speiser ist nicht völlig überzeugt. Er sagt, dass die Augen leicht verformt werden, wenn sie seziert werden, und selbst eine leichte Quetschung könnte die Ausrichtung des Spiegels und der Netzhaut verändern. Dennoch hat er keine bessere Erklärung, obwohl er in den letzten 12 Jahren mehrere mögliche Ideen getestet hat. „Nichts hat sich bestätigt, und diese Hypothese ist so gut wie jede andere“, sagt er.
Das nächste große Ziel für Muschelliebhaber ist es, herauszufinden, warum Muscheln so viele Augen haben. Sie ermöglichen es ihr wahrscheinlich, einen großen Bereich abzutasten, aber berücksichtigt sie die Informationen von jedem Auge separat oder kombiniert sie alle zu einem einzigen Bild? Nach jahrhundertelangen Studien wissen die Wissenschaftler endlich, wie jedes einzelne Auge sieht. Aber „wir haben immer noch keine Ahnung, was das Tier als Ganzes wahrnimmt“, sagt er.