Elektroplax

Elektroplax: elektrisches Organ und seine Bedeutung

Der Elektroplax, kurz Eplax, ist ein Organ einiger Fische, das elektrische Spannungen erzeugt und sie an das Wasser oder an andere Lebewesen abgeben kann. Etwa 250 Fischarten besitzen einen Elektroplax, darunter Zitteraale, Zitterrochen und Zitterwelse. Die erzeugte Spannung kann bis zu 860 V betragen. Eine Stromstärke von bis zu 50 A wurde bisher nur beim Gefleckten Zitterrochen nachgewiesen, dort allerdings bei einer Spannung von 60 V.

Die Stromstöße haben mehrere Aufgaben. Sie können Beutetiere lähmen und Feinde abwehren. Außerdem dienen sie der Orientierung in trübem Wasser, der Abgrenzung eines Reviers und dem Auffinden von Fortpflanzungspartnern. Beim Zitteraal fließt der Strom durch das Wasser zum Schwanz des Tieres zurück. Dadurch wird der Stromkreis geschlossen.

Aufbau

Elektrische Organe bestehen meist aus besonderen Muskelfasern, die ihre Fähigkeit zur Kontraktion verloren haben. Diese umgebildeten Fasern werden „elektrische Platten“ genannt. Eine Platte besitzt eine papillöse, also mit kleinen Ausstülpungen versehene, Seite und eine glatte Seite. Auf der papillösen Seite liegen Synapsen, also Kontaktstellen, an denen Nervensignale auf die Zelle übertragen werden.

Mehrere Tausend elektrische Platten sind zu Säulen hintereinander angeordnet. Diese Reihenschaltung führt dazu, dass sich die Spannungen der einzelnen Platten addieren und sehr hohe Gesamtspannungen entstehen. Die elektrische Stromstärke hängt dagegen von der Anzahl der Säulen ab, die parallel nebeneinander angeordnet sind: Je mehr Säulen parallel geschaltet sind, desto größer kann der Stromfluss werden.

Eine Ausnahme bildet das elektrische Organ des Zitterwelses (Malapterurus electricus). Seine elektrisch wirksamen Zellen entwickelten sich im Verlauf der Evolution aus Drüsenzellen der Haut. Sie funktionieren jedoch nach einem ähnlichen Prinzip wie die elektrischen Platten anderer Fische.

Erzeugung und Entladung der Spannung

An der Membran der Elektrocyten, der elektrisch wirksamen Zellen, besteht durch Ionenpumpen und Kaliumkanäle zunächst das Ruhepotenzial. Dabei ist das Zellinnere negativer geladen als das Zelläußere. Außerhalb der Zelle befinden sich viele positive Natriumionen. Werden cholinerge Ionenkanäle aktiviert, können diese Natriumionen aufgrund ihres Konzentrationsunterschieds in die Zelle einströmen. Cholinerg bedeutet hier, dass die Kanäle durch den Botenstoff Acetylcholin beeinflusst werden.

Die cholinergen Kanäle liegen nur auf einer Membranseite und werden dort von Nervenenden angesteuert, die Acetylcholin freisetzen. Dadurch verändert sich nur diese Seite: Sie wird durch den Natriumeinstrom depolarisiert, also weniger negativ, bis zum Overshoot. Beim Overshoot schlägt die Ladung ins Positive um. Die Seite mit den cholinergen Kanälen ist innen nun positiv, während die andere Seite innen negativ bleibt. Zwischen beiden Seiten entsteht dadurch eine elektrische Spannung.

Eine einzelne Elektrocyte liefert nur etwa 150 mV. Da jedoch Tausende solcher Zellen hintereinander angeordnet sind, summiert sich ihre Spannung zu mehreren hundert Volt. Die parallel angeordneten Säulen erhöhen dagegen den möglichen Stromfluss. Werden die unterschiedlich geladenen Seiten über Wasser oder den Körper eines Beutetiers verbunden, fließt ein ausgleichender Ionenstrom. Die Zelle entlädt sich.

Die Ausschüttung von Acetylcholin aktiviert nahezu alle Elektroplax-Zellen gleichzeitig. So können kurzfristig Spannungen von bis zu 860 V entstehen, die sich bei der Berührung eines Beutetiers schlagartig entladen und es lähmen. Anschließend stellen Ionenpumpen die ursprünglichen Ionendifferenzen wieder her. Dieser Vorgang benötigt Energie in Form von ATP. Obwohl kurzzeitig Natriumionen fließen, verändern sich die Ionenkonzentrationen insgesamt nur wenig, weil sich im Zellinneren im Verhältnis deutlich mehr Ionen befinden als an der Membran bewegt werden.