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Stromproduzenten unter Wasser

von Prof. Dr. Gerhard von der Emde

In fast allen Gewässertypen unserer Erde leben Fische, die mehr oder weniger starke elektrische Schläge austeilen können. Prof. Dr. Gerhard von der Emde stellt stark- und schwachelektrische Fische vor und erklärt, warum diese Tiere nützliche Vorbilder für die Technik sein können, obwohl man sie nicht zur Stromerzeugung nutzen kann.

Schon die alten Ägypter und die Bewohner des antiken Griechenlands berichteten über geheimnisvolle Fische, die über eine mysteriöse Kraft verfügen: Sie machten schmerzhafte Erfahrungen, wenn sie einen gefangenen Zitterrochen des Mittelmeers oder einen Zitterwels des Nils mit bloßen Händen berührten. Ähnlich erging es den Indianern des Amazonasgebietes in Südamerika, wenn sie in die Nähe eines Zitteraals gerieten. All diese Fische können starke elektrische Schläge austeilen, indem sie ein elektrisches Organ in ihrem Körper entladen und dabei Spannung von bis zu 600 Volt (Zitteraal) erzeugen. Diese Schläge können im ungünstigsten Fall einen Menschen
töten oder betäuben. Und genau dies ist auch der Grund für diese elektrischen Entladungen: stark-elektrischen Fische nutzen die erzeugten hohen Spannungen zum einen zur Abwehr ihrer Feinde und zum anderen zum Töten oder Betäuben ihrer Beute (zum Beispiel kleinere Fische), die sie dann bequem auffressen können.

Aber auch weit schwächere elektrische Entladungen werden von einigen Fischen Gewinn bringend genutzt: In afrikanischen und südamerikanischen Bächen, Flüssen und Seen leben Fische, die auch in stockdunkler Nacht ihre Umgebung erkennen können und aktiv sind. Diese schwachelektrischen Fische, von denen es in Afrika mehr als 200 und in Südamerika mehr als 150 verschiedene Arten gibt, erzeugen Spannungen von nur wenigen Volt, die man selbst dann nicht fühlen kann, wenn man die Tiere berührt. Die Fische hingegen sind sehr wohl in der Lage, ihre selbst erzeugten Signale oder die ihrer Nachbarn wahrzunehmen. Hierzu haben sie tausende von Rezeptororganen über ihre gesamte Hautoberfläche verteilt. Sie nutzen diese Fähigkeit, um mit anderen schwach-elektrischen Fischen zu kommunizieren oder um ihrer Umgebung und darin enthaltene Gegenstände zu erkennen. Dieser letztgenannte Prozess wird als aktive Elektroortung bezeichnet, da die Tiere aktiv elektrische Signale in ihre Umgebung aussenden und dann selbst mithilfe ihrer Elektrorezeptoren wieder wahrnehmen.

Elektrische Organe

Elektrische Fische erzeugen elektrischen Strom, indem sie ein oder mehrere elektrische Organe in ihrem Körper entladen. Diese Organe sind im Laufe der Evolution aus Muskeln entstanden, die die Fähigkeit zur Bewegung verloren haben und sich nur auf die Erzeugung von elektrischen Spannungen spezialisiert haben. Elektrische Organe bestehen aus vielen identischen Einzelzellen (Elektrozyten), die sehr regelmäßig angeordnet sind und alle genau gleichzeitig kurze elektrische Entladungen erzeugen. Durch Reihenschaltung addieren sich die relativ kleinen Spannungen von wenigen Millivolt, die eine einzelne Elektrozyte erzeugt, auf und führen zu einem elektrischen Signal von einigen Volt. Während einer Entladung des elektrischen Organs entsteht ein elektrisches Feld im Wasser um den Fischkörper herum, das einerseits die Elektrorezeptoren des Senderfisches stimuliert und auch von anderen elektrischen Fischen in der Umgebung wahrgenommen werden kann. Obwohl die Erzeugung dieser elektrischen Signale von den Tieren Energie erfordert, kann diese nicht von uns Menschen zur Energiegewinnung genutzt werden, da die Stromflüsse im Wasser sehr gering sind und die Energie nicht abgegriffen werden kann.

Aktive Elektroortung

Die Wahrnehmungsleistungen schwach-elektrischer Fische während der aktiven Elektroortung sind erstaunlich. Die Tiere können Objekte in ihrer Umgebung nicht nur elektrisch detektieren, sie können auch deren Materialeigenschaften, Größe und Form und die Entfernung sehr genau feststellen. Die Fische können sogar lebende von toten Gegenständen unterscheiden und so ihr Futter sicher identifizieren. Sie erhalten also selbst bei völliger Dunkelheit ein detailliertes elektrisches Bild ihrer Umgebung. Allerdings ist die Reichweite dieses System auf den Nahbereich um den Fisch herum beschränkt. Eine Faustregel besagt, dass ein elektrischer Fisch in etwa so weit orten kann, wie er selbst lang ist – allerdings 3-dimensional in alle Richtungen um sich herum.

Technische Nutzung

Das von den Fischen „erfundene“ Prinzip der berührungslosen elektrischen Erkundung der Umgebung kann auch technisch genutzt werden. So können z.B. Unterwasserroboter, die in dunklen oder trüben Flüssigkeiten unterwegs sind, mit einem aktiven elektrischen Sinn ausgestattet werden und sich so ohne Licht orientieren und Objekte identifizieren. Aber auch Sensoren in den verschiedensten Leitungssystemen, z.B. in Abwasserleitungen, hydraulischen Rohrsystemen oder Ölpipelines, können durch das Ortungsprinzip der Fische die Wand des Röhrensystems auf Fehler oder Risse untersuchen oder Hindernisse identifizieren. In der medizinischen Diagnostik sind Anwendungen denkbar, die mögliche Veränderungen der Wände von Blutgefäßen analysieren können und so z.B. rechtzeitig gefährliche Wandverdickungen der Herzkranzgefäße erkennen, die eine der ahäufigsten Ursache von Herzinfarkten sind.

vonderemde@uni-bonn.de