Das Leuchten des Neonfisches

[Martin Kreutz]

Liebes Forum,

normaler Weise beschäftige ich mich mit Einzellern oder Mehrzellern mit hunderten oder tausenden Zellen. Vor einigen Jahren habe ich jedoch eine kleine Exkursion ins Reich der Wirbeltiere gemacht. Auslöser für dieses Experiment war die einfache Frage, wie ein Neonfisch (genauer Neonsalmler) leuchtet. Das hier Diffraktion und Interferenz am Werk sind, war schon fast logisch. Ich fragte mich jedoch, ob ich lichtmikroskopisch die Strukturen erkennen kann, die dafür verantwortlich sind. Also gleich mal ins Fachgeschäft und 5 Rote Neonsalmler (Paracheirodon axelrodi) gekauft. Mein erster Versuch war ernüchternd. Ich habe versucht, das kleinste Exemplar (ca. 15 mm) auf einen Objektträger mit Hohlschliff zu platzieren (lebend, wohlgemerkt), gut Wasser drauf zu geben und ein Deckglas aufzulegen. Der Neon war nicht begeistert und sprang vom Kreuztisch. Ich habe dann erst Mal weitere Versuche in einer Petrischale durchgeführt, um das Gespritze unter meiner Optik zu minimieren. Ich merkte schnell, dass bei Verwendung geeigneter Abstandhalter (aus einem zerschnittenen Radiergummi) ich das Deckglas schräg geneigt auflegen konnte (also der Fischform folgende, am Kopf hohe Schichtdicke, am Schwanz niedrige). Dann blieb der lebende Fisch ruhig liegen. Die Fluchtreaktion trat erst nach einigen Minuten ein. Dies sollte für eine Untersuchung des Leuchtstreifens reichen. Also wieder unter das Mikroskop und mit einer Taschenlampe beleuchtet. Der Fisch lag mit der Rückenlinie zu mir ausgerichtet. Ich beleuchtete von der Seite her und sah – nix! Kein Leuchten. Dann habe ich mit der Taschenlampe rumgefuchtelt und plötzlich leuchtet der Fisch auf. Man musste ihn von der Rückenlinie her schräg beleuchteten. Man konnte erkennen, dass nicht nur der Leuchtstreifen in phantastischen Farben aufleuchtete, sondern auch die Iris des Fisches. Das brillante Schauspiel hat mich dann dazu veranlasst, dass Auge zu fotografieren, um zu versuchen, das Leuchten halbwegs wiederzugeben. Ich habe im optimalen Beleuchtungswinkel einen Blitz installiert und zwischen Fisch und Blitz noch ein aufgeschnittenes Filmdöschen zur Homogenisierung zwischengeschaltet. Schnell merkte ich, dass das übliche Aufnahmen von Stacks eines Bildausschnittes nicht funktionierte, da der Fisch nie ganz ruhig liegen blieb und das Auge sich auch bewegte. Deshalb habe ich eine ,,Stacking und Stitching" Methode angewendet. Dazu habe ich mit dem 4X Objektiv die (Tiefen)Kontur des Auges und des Kopfes bestmöglich nachgefahren und immer wieder Fotos von verschiedenen Fokusebenen gemacht. Das Auge hätte ich mit ca. 4 Aufnahmen erfassen können, aber durch die unterschiedlichen Fokusebenen summierte es sich auf etwa 40 Aufnahmen. Um jetzt das Auge zusammenzusetzen, bin ich folgendermaßen vorgegangen: zuerst habe ich alle scharfen Bereiche der Fotos im PS ausgeschnitten. Das ergaben manchmal sehr unregelmäßige ,,Puzzlestücke". Aus diesen ,,scharfen Puzzlestücken" habe ich dann versucht, dass Auge zusammenzusetzen. Das klappte auch zu ca. 90 %. Die 10% Lücken habe ich dann mit unscharfen Teilen aus den Bilder gefüllt. Dafür muss man im PS mit recht vielen Ebenen jonglieren. Das Ergebnis sieht zuerst nicht so prickelnd aus, weil die ganzen Übergänge zwischen unregelmäßig geformten Puzzlestücken geglättet werden müssen. Außerdem müssen die Helligkeitsunterschiede zwischen allen Puzzlestücken abgeglichen werden, also Ebene für Ebene. Das Resultat nach einer kleinen Klick-Orgie sieht dann so aus:



Von dem Blauen Neonsalmler Paracheirodon simulans habe ich das auch versucht:



Das klappte also ganz gut und ich bin dann etwas größenwahnsinnig geworden und wollte mit dieser Technik den ganzen Fisch abbilden. Dazu nahm ich einen ,,frischen" Fisch, mit einer Länge von 22 mm. An der Flossenform sah ich, dass es ein männlicher Neonsalmler war. Dieser schien etwas störrischer zu sein und die Fluchtreaktion setzte unter dem Deckglas schon nach ca. 1 min. ein. Trotzdem habe ich es versucht. Ich habe ca. 260 Bilder so schnell wie möglich aufgenommen. In der Zeit musste ich mehrfach unterbrechen, weil der Fisch durch die Fluchtreaktion das Deckglas verschob. Ich musste ihn neu platzieren und versuchen, die zuletzt fotografierte Stelle zu finden (etwa). Nach 5 - 6 Minuten war der Fisch ,,im Kasten" und das recht mühevolle zusammenfrickeln der Bilder in oben beschriebener Technik begann. Nach 3 Tagen am PS sieht das Resultat so aus:



Das Original hat als JPEG 30 MB und lässt sich ohne Zeichen von Unschärfe auf ca. 1 m aufziehen.

Ich habe mich dann noch an einem Blauen Neon (Paracheirodon simulans) versucht. Hier ein Weibchen:



Jetzt bin ich aber etwas abgekommen, von der Frage, wie es denn jetzt zum Leuchten kommt. Schon mit dem 4X Objektiv kann man in den leuchtenden Bereichen des Fisches ca. 70 – 100 µm lange und ca. 25 µm breite Bänder erkennen, die intensiv aufleuchten, wenn sie im richtigen Winkel angestrahlt werden. Der Leuchtstreifen des Fisches ist also aus tausenden dieser Bänder zusammengesetzt, die alle in Rücken-Bauch-Ausrichtung angeordnet sind (also quer zur Längsachse des Fisches). Beim durchfokussieren erkennt man zudem, dass diese Bänder scheinbar über der eigentlichen Haut des Fisches zu ,,schweben" scheinen. Dieser Effekt entsteht dadurch, dass die oberste Hautschicht aus transparenten Zellen besteht. In diesen spezialisierten Zellen, den Iridophoren, werden die leuchtenden Strukturen intrazellulär gebildet. Darunter liegt die Hautschicht, welche die ,,normale" Pigmentierung hervorbringt. Dies sind schwarz gefärbte Melanophoren und orange gefärbte Xanthophoren. Auf folgendem Bild kann man diesen Aufbau gut erkennen.



ID = Idiophoren
XP = Xanthophoren
MP = Melanophoren

Bei den Bändern in den Iridophoren handelt es sich um Stapel von flachen Kristallen, welche absolut äquidistant zueinander angeordnet sind, wie ein hoher Stapel aus Karten. Durch Interferenz von weißem Licht an diesen Stapeln wird nur eine, sehr reine Spektralfarbe zurückgeworfen. Ein ähnliches Prinzip wie im Schmetterlingsflügel oder auf einer CD. Der Neonfisch ist zudem in der Lage, die Farbe leicht zu variieren oder sogar das Leuchten ,,auszuschalten. Die Kristallstapel werden intrazellulär in spezialisierten Vakuolen gebildet und zwischen den Kristallen befindet sich Protoplasma als Abstandshalter. Die Zelle ist nun in der Lage, durch osmotische Prozesse die Salzkonzentrazion in der Vakuole zu verändern und damit den Wassergehalt des Protoplasmas und damit den Abstand zwischen den Kristallen. Ein sehr ausgeklügeltes Prinzip, wie ich meine.

Um die Kristallstapel mal selbst zu sehen, musste ich doch einen Fisch töten, um etwas von dem Leuchtstreifen isolieren zu können. Unter Ölimmersion erkennt man dann die fein geschichteten Stapel sehr gut:



MP = Melanophoren
KS = Kristallstapel

Die Kristalle in den Stapeln sind doppeltbrechend, wie man auf folgenden Bild zwischen gekreuzten Pol-Filtern sieht. Die Unschärfe entstand durch hohe Schichtdicke:



Es handelt sich um Guaninkristalle. Diese sind auch für den Silberglanz der Fische verantwortlich, wobei sie jedoch anders angeordnet sind, um alle Wellenlängen zu reflektieren.

Unten habe ich noch etwas Literatur gelistet, wer mehr erfahren möchte.

Dies als kleiner Abriss zu meinem Ausflug in die Welt der Millionenzeller!

Viel Spass beim anschauen!

Martin

Lit.:

Clothier, J. & Lythgoe, J.N. (1987): Light–induced colour changes by the iridophores of the Neon tetra Paracheirodon innesi. J. Cell Sci. 88: 663-668.

Kasai, A. & Oshima, N. (2006): Light-sensitive motile iridophores and visual pigments in the Neon Tetra, Paracheirodon innesi. Zoolog. Sci. 23(9): 815-819.

Ikeda, T. & Kohshima, S. (2009): Why is the Neon tetra so bright? Coloration for mirror-image projection to confuse predators? "Mirror-image decoy" hypothesis. Environ. Biol. Fish. 86(3): 427-441.

[reblaus]

Waaahnsin!!

Glückwunsch

Rolf

[liftboy]

Aber Hallo!!

Das sind Aufnahmen!
Ein Bestimmungsbuch mit solchen Aufnahmen wäre eine Sensation.

Grüße
Wolfgang

[Klaus Herrmann]

Lieber Martin,

du hast uns ja schon letztes Jahr in Bodman mit diesem Beitrag total fasziniert. Natürlich sieht man die riesen Arbeit nicht, die du da reingesteckt hat - es sieht halt wahnsinnig gut aus. Aber die wissenschaftliche Leistung ist zusätzlich ein Wert, der nicht hoch genug eingeschätzt werden kann.
Preiswürdig!

[Peter V.]

Lieber Martin,

Wahnsinnsbilder!!! Da kann man nur staunen....

Eine Frage noch: Wieso musste es ein lebendes Tier sein? ich bin erstaunt, dass die Fische überhaupt längere Zeit still verharren, das hätte ich nicht gedacht.

Herzliche Grüße
Peter

[Martin Kreutz]

Hallo,

vielen Dank für die motivierenden Kommentare!

@Klaus: Ja, das hatte ich schon Mal in Bodman präsentiert. Aber ich wollte die Aufnahmen noch einer größeren Runde zeigen und nicht auf meiner Festplatter vergammeln lassen.

@Peter: Ich habe festgestellt, dass die (Interferenz)Farben des Fisches schnell verblassen, wenn er stirbt. Meine Theorie ist, dass es durch die oben beschreibenen osmotischen Vorgänge in den Iridophoren nach dem Tod des Fisches zu Veränderungen in den Abständen zwischen den Kristallen in den Stapeln kommt und dadurch das Leuchten schwächer wird oder ganz ausbleibt. Ich war auch überrascht, dass die Fische unter dem Deckglas vergleichsweise lange still liegen bleiben. Da ich ein Interesse hatte, dass der Fisch die Prozedur überlebt, habe ich mit der Pipette immer Frischwasser nachgegeben und ab und zu das Deckglas etwas angehoben, damit sich die Kiemendeckel bewegen konnten. Schon alleine diesen Vorgang im Mikroskop zu betrachten, ist interessant.

Schönen Abend!

Martin

 

[olaf.med]

Unglaublich phantastischer Beitrag!!!! Absolute Hochachtung vor dieser Leisteung!

Herzliche Grüße,

Olaf

[Ernst Hippe]

Lieber Martin,
da kann man sich gar nicht sattsehen und -lesen!
Herzlichen Dank für diesen außergewöhnlichen Beitrag!
Ernst

[Oecoprotonucli]

Hallo Martin,

tolle Fotos, sollte man für "das Foto des Monats" nominieren! Und sicher eine große Arbeit, diese "Klickorgie"!

Aber eine Frage: Du sprichst immer von "Leuchten": Ist das wirklich der Begriff, der in der Fachwelt dafür benutzt wird? Ich verstehe darunter ein aktives Leuchten, im Dunkeln, ohne externe Lichtquelle, also so etwas wie Biolumineszenz. Oder auch Fluoreszenz - die geht natürlich auch nur mit externer Leuchtquelle, aber wird bei Deinen Fischen das (externe) Licht nicht einfach irgendwie reflektiert?

Danke + viele Grüße

Sebastian

[Fahrenheit]

Lieber Martin,

danke für diese faszinierenden Aufnahmen und die Arbeit, die Du Dir gemacht hast!

Herzliche Grüße
Jörg

[wilfried48]

.... Ja, das hatte ich schon Mal in Bodman präsentiert. Aber ich wollte die Aufnahmen noch einer größeren Runde zeigen und nicht auf meiner Festplatter vergammeln.
...

Hallo Martin,

eine unheimlich schöne fachmännische Fleissarbeit und wirklich viel zu schade um auf deiner Festplatte zu vergammeln !

Gibt es eine Möglichkeit die Originaldatei zu erwerben ?

viele Grüsse
Wilfried

[Martin Kreutz]

Guten Abend zusammen!

@Sebastian: Ich habe zwar den Begriff Leuchten gebraucht, aber es handelt sich um eine Reflexion an Kristalloberflächen, verbunden mit Interferenz. Weißes Licht wird selektiv (also farbrein) zurück geworfen. Der Neonsalmler ist in afrikanischen Gewässern mit hohem Anteil Huminsäuren zu Hause (Schwarzwasser). Eine Theorie lautet, dass der Leuchtstreifen den Schwarmzusammenhalt als Erkennungssignal erleichtert. Eine andere Theorie besagt, dass das Leuchten im Schwarm Angreifer verwirren soll. Über den aktuellen Stand der Diskussion bin ich aber nicht informiert. Vielleicht lesen hier Aquarianer mit, die mehr wissen.

@Wilfried: Ja, die Originaldatei kann man erwerben, ich schicke Dir eine PM.

Allen vielen Dank für Lob und Anerkennung!

Martin

[Martin Kreutz]

Hallo Safari,

das war mein Fehler! Du hast recht, der Neonsalmler ist in Südamerika beheimatet! Sorry!

Martin

[Rawfoto]

Hallo Martin

Toll, mir gefaellt der Beitrag auch ...

Liebe Gruesse

Gerhard

[Oecoprotonucli]

Hallo Martin,

Danke, nicht dass ich zu kleinkrämerisch bin, sicher kann man das auch als "Leuchten" bezeichnen, hat mich nur interessiert.

Funktionen kann man sich ja da grundsätzlich viele vorstellen. Andere Tiere und Pflanzen schillern ja auch bunt und schön. Vielleicht macht's ja auch die potenziellen Paarungspartner an...

Besten Gruß

Sebastian