Augenentwicklung (Wirbeltiere)

Grundprinzip der Augenentwicklung

Die Augenentwicklung der Wirbeltiere ist die embryonale Bildung der Sehorgane. Obwohl sich Augen verschiedener Wirbeltierarten im Aufbau und in ihrer Leistung deutlich unterscheiden, folgen ihre Entwicklungsphasen grundlegenden Gemeinsamkeiten. Das Auge entsteht durch aufeinanderfolgende, miteinander verknüpfte Gewebeinteraktionen, sogenannte Induktionen. Dabei beeinflussen sich die entstehenden Bestandteile – besonders Linse, Hornhaut und Netzhaut – gegenseitig und in einer festen Reihenfolge.

Aus dem vorderen Teil des Neuralrohrs, dem späteren Zwischenhirn, wachsen beidseits optische Vesikel (Augenbläschen) aus. Diese lösen im Oberflächenektoderm, der äußeren embryonalen Zellschicht, die Bildung der Linse aus und formen sich anschließend zum Augenbecher um. Sein äußeres Blatt wird zum lichtabsorbierenden Pigmentepithel, sein inneres Blatt zur mehrschichtigen Netzhaut. Später entstehen Sehbahn, Augenmuskeln, Lider und Tränenapparat. Die vollständige Koordination der Augenbewegungen und die Sehschärfe entwickeln sich erst nach der Geburt weiter.

Wichtige Schaltergene beziehungsweise Transkriptionsfaktoren sind Rx1, Six3 und Pax6. Sie aktivieren viele weitere Gene und bilden ein stabilisierendes Regulationsnetzwerk. Pax6 wird früh und während vieler Stadien der Augenentwicklung exprimiert; bei Maus und Mensch ist es vollkommen identisch. Wird Pax6 unterdrückt, unterbleibt die Augenentwicklung beim Wirbeltier. Seine frühere Sonderstellung als allein entscheidendes „Mastergen“ gilt jedoch als relativiert: Auch Gene wie Rx1, Six, Eyes absent (Eya) und Dachshund (Dach) können ektopische Augen auslösen; ihr Funktionsverlust kann ebenfalls zum Verlust des Auges führen.

Evolution des Wirbeltierauges

Da Augen fossil kaum im Detail erhalten sind, stützen sich Aussagen zur Evolution vor allem auf vergleichende Anatomie, Molekulargenetik, molekulare Uhren und vergleichende Embryonalentwicklung. Die Entwicklung vom einfachen lichtempfindlichen System zum Linsenauge dauerte etwa 200 Millionen Jahre.

Vor mehr als 600 Millionen Jahren besaßen einfache bilaterale Tiere bereits rhabdomerartige und ziliare Fotorezeptoren mit frühen Opsinen. Opsine sind Sehpigment-Proteine mit lichtempfindlichen Farbstoffen, den Chromophoren. Diese Rezeptoren konnten in Augenflecken, sogenannten Ocellen, oder über den Körper verteilt liegen.

Zwischen 580 und 550 Millionen Jahren entwickelten Vorfahren der Wirbeltiere fortgeschrittene ziliare Fotorezeptoren. Vor etwa 550–530 Millionen Jahren entstanden Augenbläschen, eine frühe becherförmige Netzhaut, Netzhautpigmentepithel und eine Linsenplakode. Dieses Auge war noch nicht bilderzeugend und wird mit dem Auge heutiger Schleimaale verglichen.

Vor etwa 530–500 Millionen Jahren entstanden Zapfen, Bipolarzellen und besondere retinale Ganglienzellen. Durch Einstülpung und Abschnürung der Linsenplakode bildete sich die Linse. Ein einfaches Kameraauge, das Bilder wahrnehmen konnte, ähnelte vor etwa 500 Millionen Jahren dem Auge heutiger Neunaugen. Zwischen 500 und 430 Millionen Jahren kamen Myelin zur schnelleren Signalweiterleitung, Stäbchen für schwaches Licht, Rhodopsin, eine stärker kontraktile Iris und Muskeln zur Akkommodation hinzu.

Seit etwa 430 Millionen Jahren entstand die Grundform des Auges der Landwirbeltiere. Beim Übergang zum Leben an Land vor etwa 375 Millionen Jahren wurde die Linse elliptisch, weil Licht beim Übergang von Luft in die Hornhaut stärker gebrochen wird als beim Übergang von Wasser in die Hornhaut. Augenlider schützten vor Austrocknung. Am Ende des Devons könnten alle wesentlichen Merkmale des menschlichen Auges bereits vorhanden gewesen sein.

Frühe Anlagen, Linse und Hornhaut

Am Ende der Gastrulation werden die ersten Weichen gestellt. Die drei Keimblätter Entoderm, Mesoderm und Ektoderm sind dann gebildet; für das Auge ist vor allem das Ektoderm wichtig. Beim Menschen beginnt dies ab dem 17. Tag der Schwangerschaft. In der Neuralplatte entsteht zunächst ein einheitliches Augenfeld. Während der Bildung des Neuralrohrs trennt Sonic hedgehog (Shh) dieses Feld in zwei Augendomänen, indem es in der Mittellinie Pax6 unterdrückt. Fehlt Shh dort, kann Zyklopie entstehen.

Zu Beginn des zweiten Schwangerschaftsmonats wachsen aus dem Zwischenhirn die optischen Vesikel aus. Das Protein Rx3 unterstützt die Wanderung von Augenvorläuferzellen aus der Gehirnmitte zum Augenfeld. Das optische Vesikel löst im Kopfektoderm die Linsenplakode aus, eine Verdickung als Linsenanlage. Nur Kopfepidermis kann auf diese Signale reagieren; weder ein Vesikel außerhalb des Kopfektoderms noch Kopfektoderm ohne Vesikelkontakt bildet eine Linse.

Die Linsenplakode führt zur Einstülpung des Vesikels zum Augenbecher. Das Linsenbläschen schnürt sich vom Oberflächenektoderm ab und sinkt ins Auge ein. Ab der fünften Woche verlängern sich seine hinteren Zellen zu primären Linsenfasern, dem späteren Linsenkern. Sie bilden Kristalline, die mit drei Typen und 90 % Anteil die Hauptproteine der Linse darstellen. Die Fasern bauen Zellkern und Organellen ab; das reduziert Stoffwechsel und Lichtstreuung, ohne dass Apoptose eintritt. Deshalb müssen sich Linsenzellen bis zum Tod nicht erneuern.

Vordere Zellen bleiben als Linsenepithel erhalten. Ab der siebten Woche entstehen sekundäre Linsenfasern, die sich zwiebelschalenartig in konzentrischen Ringen anlagern. Die Faserbildung hält lebenslang an: Die Linse wird dichter, verliert aber mit zunehmendem Alter Elastizität und damit Akkommodationsfähigkeit. Während der vorgeburtlichen Entwicklung versorgt die Tunica vasculosa lentis die Linse; sie verschwindet kurz nach der Geburt. Die Linse ist das einzige organische Gewebe aus völlig transparenten, lebenden Zellen.

Die Linse induziert im Oberflächenektoderm die Hornhaut. Hornhautzellen erneuern sich auch nach der Geburt wöchentlich und die Hornhaut ist stark von Nerven durchzogen. Aderhaut und Lederhaut entstehen aus mesodermalem Kopfmesenchym. Beim Salamander kann eine Linse durch Transdifferenzierung von Zellen am Irisrand bis zu 18-mal regeneriert werden.

Netzhaut, inverse Lage und Sehbahn

Die Netzhaut entsteht aus multipotenten Retina-Vorläuferzellen. Diese können zu Fotorezeptoren, Müllerzellen und Nervenzellen werden. Wichtig sind Horizontalzellen zur Verschaltung von Rezeptoren, Bipolarzellen zur Sammlung und Gewichtung von Informationen, Amakrinzellen zur Modulation sowie Ganglienzellen zur Weiterleitung. Pax6, Six3, Six6, Lbx2 und Hes1 wirken als Transkriptionsfaktoren; Fibroblasten-Wachstumsfaktoren (FGF) und Sonic-hedgehog-Wellen steuern die Differenzierung. Beim Zebrafisch wurde gezeigt, dass zunächst Ganglienzellen und anschließend weitere Nervenzellen der Netzhaut differenzieren.

Das äußere Blatt des Augenbechers wird zum retinalen Pigmentepithel. Es absorbiert Licht, dunkelt das Auge ab und unterstützt die Regeneration von Sinneszellen. Die neuronale Netzhaut besteht im Wesentlichen aus drei übereinanderliegenden Schichten: Fotorezeptoren, Bipolarzellen und Ganglienzellen. Zapfen ermöglichen beim Menschen die Unterscheidung von Farbtönen; Stäbchen erfassen Helligkeit. Da Menschen nur einen Stäbchentyp besitzen, entsteht in der Dämmerung kein Farbeindruck.

Die Retinaentwicklung verläuft beim Menschen überwiegend vom dritten bis vierten Monat. Dann ist der Sehnerv vollständig myelinisiert. Nach etwa fünf Monaten ist die Nervenverbindung zum Gehirn abgeschlossen. Die Macula lutea, der gelbe Fleck mit besonders hoher Zapfendichte, beginnt erst nach acht Monaten zu entstehen und wächst über die Geburt hinaus weiter.

Die Wirbeltiernetzhaut ist invers: Nervenfasern, Nervenzellen und Blutgefäße liegen auf der dem Licht zugewandten Seite, während die lichtempfindlichen Außensegmente von Stäbchen und Zapfen zum Pigmentepithel, also vom Licht weg, zeigen. Der Sehnerv verursacht an seiner Austrittsstelle den blinden Fleck. Beim Oktopus trifft Licht unmittelbar auf die Rezeptoren. Die unterschiedlichen Strukturen sprechen hinsichtlich der Netzhaut für eine unabhängige, konvergente Entstehung; ähnliche Schaltergene weisen zugleich auf homologe genetische Grundlagen hin. Die Evolutionsgeschichte wird deshalb als mehrdeutig beschrieben.

Ganglienzellen bilden Axone, die am blinden Fleck zum Sehnerv gebündelt werden. Chemische Konzentrationsgefälle aus Ephrinen und Ephrinrezeptoren führen die Axone zu ihren Zielgebieten; dieser Prozess heißt retino-tectale Projektion. Die Netzhautkarte wird dabei als Karte im Gehirn abgebildet. Bei Säugetieren kreuzen sich die Nervenbahnen im Chiasma opticum teilweise, bei Fischen, Amphibien, Reptilien und Vögeln vollständig.

Anhangsorgane und Entwicklung nach der Geburt

Die äußeren Augenmuskeln entstehen aus Mesodermsegmenten, den Somitomeren, und werden durch die Hirnnerven Nervus oculomotorius (III), Nervus trochlearis (IV) und Nervus abducens (VI) versorgt. Beim Menschen entwickeln sie sich erst im fünften Monat. Die Koordination der Augenbewegungen entsteht gewöhnlich zwischen dem zweiten und vierten Lebensmonat.

Die Augenlider erscheinen in der siebten Woche als zwei Hautfalten. Ihre Epithelränder sind von der zehnten Woche bis zum siebten Monat verklebt. Wimpern sowie Meibom- und Moll-Drüsen entstehen an den Lidern; auch Nickhaut und Bindehaut bilden sich. In der neunten Woche entstehen Anlagen der Tränendrüsen. Die ableitenden Tränenwege gehen aus der Tränen-Nasen-Rinne hervor und öffnen sich im siebten Schwangerschaftsmonat.

Etwa in der achten Woche entsteht die Pupille. Der Musculus sphincter pupillae und der Musculus dilatator pupillae bilden sich aus Epithelzellen des Augenbechers, der Ziliarmuskel aus Mesoderm. Pupillenreaktionen sind bereits im Mutterleib möglich. Licht aktiviert beim Mäuse-Embryo Melanopsin und beeinflusst dadurch die Entwicklung von Gefäßen und Neuronen.

Bei der Geburt hat das Auge seine endgültige Größe noch nicht erreicht; diese wird erst zu Beginn der Pubertät erreicht. Gesichtsfeld, Linse, Macula und Irispigmentierung reifen weiter. Der Visus entwickelt sich wegen noch instabiler zentraler Fixation bis etwa zum 10. Lebensjahr.

Fehlbildungen und besondere Anpassungen

Bei Zyklopie weichen die beiden Augenanlagen nicht auseinander; wegen der verbundenen Gehirnmissbildung sind die Feten nicht überlebensfähig. Ein unvollständiger Verschluss des Augenbechers verursacht Iris-, Aderhaut- oder Netzhaut-Kolobome. Rötelninfektionen in der vierten bis achten Schwangerschaftswoche können unter anderem Linsentrübung verursachen. Reste der Pupillarmembran sind meist harmlose Hemmungsmissbildungen.

Verschiedene Wirbeltiere besitzen spezielle Anpassungen. Katzen, Hunde, Pferde und Rinder haben das Tapetum lucidum, eine reflektierende Schicht zur Verstärkung von Restlicht. Greifvögel besitzen große, frontal gerichtete Augen, binokulares Sehen, eine zweite Sehgrube und den Pecten oculi zur Nährstoffversorgung der Netzhaut. Menschen verändern zum Scharfstellen die Linsenkrümmung, Fische und Schlangen dagegen den Abstand zwischen Linse und Netzhaut.

Menschen haben drei Zapfentypen, die meisten Säugetiere zwei, Reptilien und Vögel vier und Tauben fünf. Vögel können UV-Licht sehen; Haie, Wale, Delfine und Robben besitzen nur einen grünempfindlichen Zapfentyp und sind farbenblind. Beim Vierauge sind Hornhaut und Netzhaut für gleichzeitiges Sehen über und unter Wasser zweigeteilt. Bei Plattfischen wandert ein Auge während des Wachstums auf die spätere Oberseite des Körpers.