VL 1 - Lichtsinnesorgane (I) (Bilder) Flashcards
Was soll ein Lichtsinnesorgan leisten und was sind die Probleme dabei ?
- Lichtquanten absorbieren
Problem: Empfindlichkeit des Sensors - einzelne Quanten sehr energiearm
- bei verschiedenen Helligkeiten funktionieren
Problem: riesiger Intensitätsbereich
- Licht auch verschiedenen Richtungen unterscheiden -> Objekterkennung
Problem: räumliches Auflösungsvermögen
Was ist das Grundprinzip der Reizcodierung in Sinneszellen ?
im Transduktionsprozess wird Reizenergie benutzt, um elektrische Signale des Nervensystems auszulösen
Bild 1
Welche Rezeptortypen gibt es und wie sind diese unterteilt ?
Bild 2
Wie wird das Problem, dass die Reizenergie im Allgemeinen viel geringer ist als die die für elektrische Signale benötigte Energie gelöst ?
Der Sinnesreiz ist nur der Auslöser (Trigger)
- Energie für elektrisches Signal der Sinneszelle wird vom Zellstoffwechsel zur Verfügung gestellt werden
- -Sinneszellen müssen effektive Verstärkungsmechanismen enthalten*
Was ist der allgemeine Trend zur Aufnahme von Reizenergien?
Trend zur Aufnahme extrem kleiner Reizenergien, bis an die Grenze des Physikalisch Möglichen: Reaktion auf einzelne Lichtquanten, einzelne Duftmoleküle, winzige Bewegungen
Was sind die 4 Grundeigenschaften von Sinneszellen?
- Rezeptorzellen sind immer Filter und registrieren nur einen Ausschnitt des verfügbaren Energiespektrums. Damit begrenzen sie auch die “Erlebnis-Welt” (Selektivität)
- Rezeptorzellen sind immer Verstärker, die Reizenergie wirkt nur als Auslöser
- Rezeptorzellen sind Wandler: die spezifische Reizmodalität wird im Transduktionsprozess in ein elektrochemisches Potenzial, den Code des NS umcodiert
- Rezeptorzellen sind Encoder: Codierung der Reizintensität erflogt über die Impulsfrequenz, Codierung der Reizqualität über die Nervenbahn
Wie wird eine hohe Lichtempfindlichkeit erreicht ?
- Rezeptormolekül, welches auf einzelne Lichtquanten reagiert : Rhodopsin
- viel Rhodopsin in Sinneszelle packen
- Sinneszelen müssen sehr effektive & präzise Verstärkungsmechanismen enthalten
- Dichteste Packung der Membranstapel (discs) in stäbchen
- Viel Sehpigment pro disc
Wie sind Stäbchen und Zapfen der Wirbeltierretina aufgebaut ?
Was ist entscheident für das Erkennen von Gegenständen ?
Für das Erkennen von Gegenständen sind die Reflexions-Eigenschaften entscheident: Weiß reflektiert viel, Schwarz kleinen Bruchteil der eingestrahlten Quanten
feine Helligkeitsunterschiede bei geringen Lichstmengen sind nicht auflösbar
Was ist Rhodopsin und wie ist es aufgebaut ?
Rhodopsin, das Sehpigment der Stäbchen (Sehpurpur) besteht aus einem Protein (Opsin) und Retinal
In welchen Schritten verläuft die “Sehkaskade” ?
- Durch Licht-aktiviertes Rhodopsin (in disc Membran) verändert seine Struktur
- kann dann an G-Protein (Transducin) binden, dadurch wird Transducin aktiviert
- Transducin dickt an die Phosphodiesterase an, wodurch diese aktiviert wird
- Aktivierte Phosphodiesterase spaltet cGMP
- Abnahme von cGMP führt zu Schließen der Na-Kanäle
- Hyperpolarisation der Rezeptorzelle (bei Wirbeltieren)
Wie reagiert eine Zehzelle auf Licht
Reagiert anders als erwartet:
- im Dunkeln wird die Zellmembran durch anhaltenden Na+-einstrom depolarisiert
- bei Beleuchtung wird dieser “Dunkelstrom” unterdrückt
- Zelle reagiert mit einer Absenkung des Membranpotenzials (Hemmung) : Hyperpolarisation
Was bewirkt cGMP im Körper ?
cGMP bindet an Natrium-Kanäle in der Rezeptormembran und hält diese dadurch offen
Welche Photorezeptoren haben Insekten und Wirbeltiere ?
Insekten : rhabdomärer Photorezeptor
Wirbeltiere : ciliärer Photorezeptor
Bild 3
Was macht einen rhabdomären Photorezeptor aus ?
Das Rhodopsin in den Photorezeptoren von Insekten befindet sich in Mikrovili, die ein Rhabdom bilden
Was ist der unterschied von den Rezeptorpotenzialen bei Wirbeltieren und Insekten ?
Bild 4
Wie funktioniert die Pigmentregeneration bei Wirbeltieren ?
Rhodopsin zerfällt: Zerfallsprodukte absorbieren vor allem im ganz kurzwelligen Bereich (UV)
bild 5
Wie funktioniert die Pigmentregeneration bei Insekten ?
Insekten-Rhodopsine zerfallen nicht, sie werden durch andere Wellenlängen wieder re-isomerisiert
Insekten können wegen der Photo-Reisomerisierung nicht geblendet werden
Wird vermutet, dass Sinneszellen und Photopigmente ein- oder zweimal evolutionär entstanden sind ?
Sinneszellen wohl 2 mal unabhängig entstanden
Photopigmente: Rhodopsin wahrscheinlich sehr frühe “Erfindung”
Was ist das “grundlegende Dilemma” bei Becheraugen bei den Anforderungen ans scharfe Sehen ?
Große Öffnung -> viel Licht, schlechtes Auflösungsvermögen
kleine Öffnung -> näher beieinander liegende Objekte unterscheidbar, Lichtmenge problematisch
hohe Lichtempfindlichkeit & hohe Sehschärfe sind einander widersprechende Anforderungen
bild 6
Was ist die Lösung um dem Problem des Sehens entgegenzuwirken ?
die Linse: Struktur mit höherem Brechungsindex
bild 7
Was wurde evolutionär zur erhöhten aufnahme von Licht im Auge “erfunden” ?
größere Photorezeptoren für mehr Licht -> nah beieinander liegende Punkte können nicht mehr aufgelöst werden
günstig: große Augen
große Linse verbessert Quantenfang un in die Retina können viele schmale Rezeptoren dicht gepackt werden
Was ist das Problem bei Lichtempfindlichkeit und Auflösungsvermögen ?
Durch gegensätliche Anforderung für die beiden Eigenschaftem können Lichtempfindlichkeit und Auflösungsvermögen nicht gleichzeitig optimiert werden
Welche Verbesserungsmöglichkeiten gibt es bei Augen die wenig Licht zu Verfügung haben ?
- große Augen (große Linsen)
- empfindliche Rezeptoren (Stäbchen reagieren einzelne Lichtquanten)
- räumliche Summation (Stäbchen -> geringe Auflösung)
- zeitliche Summation (Achting schnelle Ergebnisse)
Wie kann hohe absolute Empfindlichkeit erreicht werden ?
Steigerung durch längere Summationszeit
zeitliches Auflösungsvermögen sinkt : schnelle Bewegungen werden übersehen
Warum entstehen, wenn dem Organismus viel Licht zur Verfügung steht, keine dünneren Rezeptoren ?
Beugungsscheibchen: punktförmige Lichtquelle wird nicht exakt, sondern als Scheibe abgebildet -> begrenzen Rezeptordurchmesser
Was sind wichtige Fazide zum Merken bezüglich der Anforderung an Augen ?
- verschiedene Zwänge aus Physik beeinflussen die Konstruktion von Augen
- hohe absolute Empfindlichkeit & hohe Sehschärfe: widersprechende Anforderungen -> nicht beides gleichzeitig erfüllbar
Wie wird die gute Unterscheidung von unterschiedlichen Helligkeiten bewerkstelligt ?
möglicher Ausweg : Bereichsaufteilung durch Spezialisierung in zwei Sehsysteme
- Stäbchen für niedrige Lichtintensitäten
- Zapfen für hohe Intensität, hohe Sehstärke (und Farbensehen)
Wofür ist gutes räumliches Auflösungsvermögen wichtig ?
für die Objektdetektion
Was ist das Besondere bei der Fovea und die Probleme ?
Spezialisierung auf verschiedene Aufgaben & Intensitätsbereiche
- Abtasten der Umgebung mit Blicksprüngen
- Probleme:
- Stabilität der Umwelt
- Zusammenfügen zu einem einheitlichen Bild
Was ist das Problem beim Empfindlichkeitsbereich und der Intensitätsunterscheidung und dessen ‘Lösung’?
- Rezeptoren reagieren über sehr große Intensitätsbereiche (> 107)
Problem : Wie sind trotzdem feine Unterschiede wahrnehmbar ?
- durch Adaption
Was bedeutet Adaption bei Sehen ?
Adaption bedeutet nicht Bleichung:
Adaption verändertden Verstärkungsfaktor der intrazellulären Enzymkaskade. Bei grüner Kurve müssen mehr Lichtquanten absorbiert werden, um die gleiche Zahl von Ionenkanäle zu schließen wie vor dem Adaptionsprozess.
Bild 1
Was sind logharithmische Kennlinien ?
Eine logharithmische Kennlinie bewertet Intensitätserhältnisse:
- genau die relevante Objekteigenschaft : die Reflexionskoeffizienten
Was für Probleme gibt es bei der Adaption und die alternative Möglichkeit ?
Verlust an Informationen über absolute Reizintensität
- tolerierbar, da absolute Intensitäten i.a. nicht so wichtig sind. Für die Objekterkennung sind Kontraste , d.h. relative Reflexionswerte wichtig
Alternative Möglichkeit:
- Gestaffelte Empfindlichkeitsbereiche von Rezeptoren
( Probleme mit dem räumlichen Auflösungsvermögen)
Welche 2 großen Klassen von Augentypen gibt es ?
Einzellinsen - Komplexaugen
Was sind die Vorstufen von Einzellinsenaugen ?
Gruben-, Becher-, und Lochkamera-Augen
Was ist der Grundaufbau von Komplexaugen (Appositionsauge) und welche Tiere besitzen diese Art von Augen ?
Insekten
Der Mikrovilli-Saum mehrer Photorezeptoren in einem Ommatidium bildet das Rhabdom, welches ads Sehbigment enthält und als Lichtleiterstruktur die optimale Quantenausbeute ermöglicht
jedes Ommatidium entspricht einem Bildpunkt (Pixel)
Welche 3 Typen von Komplexaugen gibt es und welche Tierarten besitzen welchen Typ ?
Appositionsaugen (a) , Superpositionsaugen (b,c)
- b) Insekten (Refraktionstyp)
- c) Krebse (Spiegeloptik)
Bild 2
Was kann man über die Lichtempfindlichkeit bezüglich Komplex- und Einzellinsenaugen sagen ?
Die Lichtempfindlichkeit von Komplexaugen ist nicht unbedingt schlechter als von Einzellinstenaugen (Superpositionsaugen) aber generell schon.
Superpositionsaugen von Insekten: Erhöhung der Lichtausbeute nahezu ohne Verlust an Sehschärfe
Was sind die Vor- und Nachteile von Komplexaugen ?
Contra:
Komplexaugen haben eine viel schlechtere Sehschärfe
Pro:
Insekten-Photorezeptoren sind schneller, zeitliches Auflösungsvermögen ist höher als bei Wirbeltieren
Was sind die wesentlichen Unterschiede zwischen Einzellinsen- und Komplexaugen ?
- Rundumsicht
- räumliches Auflösungsvermögen
- Abbildung aufrecht oder verkehrt herum
- Geschwindigkeit & zeitliches Auflösungsvermögen
- Lichtempfindlichkeit nicht notwendig schlechter (Superpositionsaugen)
Was sind die zwei begrenzenden Faktoren für die Geschwindigkeit von Photorezeptoren - und damit für zeitliches AUflösungsvermögen ?
1. Transduktionskaskade
2. Zeitkonstanten der Zellmembran
Erläutern sie wie die Zeitkonstanten der Zellmembran die Geschwindigkeit von Photorezeptoren beeinflussen ?
- Photorezeptoren sind eng gepackte Membranstapel oder Mikrovili, dicht gepackt mit Rhodopsin
- Große Membranfläche erhöht elektrische Kapazität C -> Zeitkonstante der elektrischen Antwort
Was ist das Problem von Photorezeptoren ?
- viel Membran für Sehpigment benötigt
- große Kapazität der Membran macht Potenzialänderungen in den Zellen langsam
