Navigation der Biene Marco Block 1 Thema: Navigation der Biene Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Ziel des Vortrags Wie navigieren Bienen? 2 Ziel des Vortrags Wie navigieren Bienen? - Orientierung nach Polarisationsmuster des Himmels - Biene besitzt Ultraviolett-Rezeptoren Was ist polarisiertes Himmelslicht? natürlich: keine Schwingungsebene wird bevorzugt nach Atmosphäreneintritt: - ein gewisser Teil wird polarisiert - anhand der Schwingung ist Sonnenstand zurückschließbar Wir verfolgen 2 Ziele: 1. Wir wollen verstehen, wie sich die Biene orientiert - am Polarisationsmuster des Himmels - dazu besitzt die Biene Ultraviolett-Rezeptoren 2. Um diese Frage zu beantworten, müssen wir zunächst verstehen, was polarisiertes Licht ist. - das natürliche Licht bevorzugt keine Schwingungsrichtun - aber z.B. nach dem Eintritt in die Atmosphäre wird ein gewisser Teil polarisiert Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Ziel des Vortrags 1. Was ist polarisiertes Himmelslicht? 3 Ziel des Vortrags 1. Was ist polarisiertes Himmelslicht? natürlich: keine Schwingungsebene wird bevorzugt nach Atmosphäreneintritt: - ein gewisser Teil wird polarisiert - anhand der Schwingung ist Sonnenstand zurückschließbar Dazu drehen wir also die Fragestellungen in eine erneute Reihenfolge. 2. Wie navigieren Bienen? - Orientierung nach Polarisationsmuster des Himmels - Biene besitzt Ultraviolett-Rezeptoren Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Licht: Welle oder Teilchen? 4 Licht: Welle oder Teilchen? Licht - Wellentheorie (Dualitätsprinzip: da auch Teilcheneigenschaften) Lichtteilchen (Lichtquant, Photon, Physik: Korpuskel) Lichtgeschwindigkeit c 300000 km/s - beide Theorien lassen sich beweisen - Heisenbergsche Unschärferelation Zustand des Teilchens nicht ganz bestimmbar (Zeit/Ort) => Quantentheorie Lichtbrechung und Lichtreflexion Was ist Licht? Wellentheorie - Versuchsbeschreibung Teilchentheorie Nun verhält sich Licht beim Auftreffen auf eine Oberfläche unterschiedlich. Es kann sich brechen, d.h. das Licht geht durch das Objekt durch, nur der Winkel verändert sich. - Prisma Es kann aber auch reflektiert werden, dazu - Spiegel, Wasseroberfläche Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Himmelsmuster Sonnenstand Höhenkreis ??? 5 Wie verändert sich das Licht beim Eintritt in die Atmosphäre? Abbildung: S.135 Abbildung: S.Scientific American Himmelsmuster (A, B) ??? Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Polarisiertes Licht Wie entsteht polarisiertes Licht? 6 Polarisiertes Licht Entdeckung durch Erasmus Bartholinus (dän. Gelehrter) 13.8.1625-4.11.1698† Wie entsteht polarisiertes Licht? - nach Eintritt in die Atmosphäre (Brechung) - durch Reflexion an der Wasseroberfläche (Spiegel) - dieses teilweise oder manchmal vollständig Künstliche Herstellung? Prinzip: nur eine Schwingungsrichtung wird durchgelassen - Sonnensteine der Wikinger (Cordierit vor 1000 Jahren) - Nicolsches Prisma - Polarisationsfilter Polarisiertes Licht, - machten sich die Wikinger schon vor 1000 Jahren zu nutze - eigentliche Beschreibung (Entdeckung) durch Erasmus Bartolinus vor 300 Jahren Noch einmal zusammengefasst, wie polarisiertes Licht entsteht. - Eintritt in die Atmosphäre - Reflektion an der Wasseroberfläche(Spiegel) - dieses teilweise oder manchmal sogar vollständig Nun läßt sich dieses aber auch simulieren, also künstlich herstellen. Dazu läßt man lediglich eine Schwingungsrichtung durch. Wie schon gesagt: - machten sich die Wikinger die Himmelspolarisation zu nutze, dazu benutzten sie Cordierit, was ein Kristall ist, welches durch seine Gitterstruktur nur eine Schwingungsrichtung durchläßt (diese Steine nennt man auch die Sonnensteine der Wikinger) - Nicolsche Prisma ist ein Prismensystem welches vom britischen Physiker William Nicol (1768-1851) erfunden wurde (Dabei wird ein Kristall in zwei Teile geschnitten und dann wieder verbunden. Die Schnittfläche polarisiert dann das Licht.) - allgemein Polarisationsfilter es gibt lineare, die wie schon die ganze Zeit gesagt nur eine Schwingungsrichtung durchlassen aber auch zirkuläre, die Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Ziel des Vortrags  1. Was ist polarisiertes Himmelslicht? 7 Ziel des Vortrags 1. Was ist polarisiertes Himmelslicht?  - eine Schwingungsebene - systematische Polarisation des Himmels - ein freier Himmelsfleck reicht zur Bestimmung Damit haben wir nun verstanden, was polarisiertes Licht ist und wie man es künstlich erzeugen kann. 2. Wie navigieren Bienen? - Orientierung nach Polarisationsmuster des Himmels - Biene besitzt Ultraviolett-Rezeptoren Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Ziel des Vortrags  1. Was ist polarisiertes Himmelslicht? 8 Ziel des Vortrags 1. Was ist polarisiertes Himmelslicht?  - eine Schwingungsebene - systematische Polarisation des Himmels - ein freier Himmelsfleck reicht zur Bestimmung Nun können wir uns mit diesem Wissen an die 2.Fragestellung herantasten. 2. Wie navigieren Bienen? - Orientierung nach Polarisationsmuster des Himmels - Biene besitzt Ultraviolett-Rezeptoren Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Komplexauge der Biene Anzahl: 5500 Ommatidium 9 Wie sieht das Bienenauge aus? einfaches Modell: Sternfolie Anzahl: 5500 Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Einzelauge der Biene - 8 Rezeptoren 4*grün (3,4,7,8) 2*blau (2,6) 10 Einzelauge der Biene - 8 Rezeptoren 4*grün (3,4,7,8) 2*blau (2,6) 2*ultraviolett (1,5) - 180º Drehung der Rezeptoren - im unteren Bereich kommt 9ter Ultraviolettrezeptor dazu Wie sieht das Bienenauge aus? einfaches Modell: Sternfolie Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Polarisationsempfinden der Biene 11 Polarisationsempfinden der Biene Sehfarbstoff (Rhodopsin) Mikrovilli Wie sieht das Bienenauge aus? einfaches Modell: Sternfolie Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Sternfolienmodell - Polarisationsfilter werden kreisförmig angeordnet 12 Sternfolienmodell Wie sieht das Bienenauge aus? einfaches Modell: Sternfolie - Polarisationsfilter werden kreisförmig angeordnet - zweckmäßig für zahlreiche Versuche Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Nachweis zur Wahrnehmung 13 Nachweis zur Wahrnehmung Ist es sicher, dass Bienen das polarisierte Licht wahrnehmen und sich daran orientieren? ja, einfacher Nachweis: Vortrag: Bienentanz Drehung um 35º 2 Fragen tun sich auf. Abbildung S.210 hinzufügen Praktikum!  Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Modellqualität Gilt für den Mechanismus der Wahrnehmung 14 Modellqualität Gilt für den Mechanismus der Wahrnehmung unser Sternfolienmodell? nein, - grundsätzlich, gute Erklärung - benachbarte Sinneszellen sind gleich ausgerichtet - Sternfolie müsste 4 strahlig sein 2 Fragen tun sich auf. Abbildung S.139 hinzufügen Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

neue Modellierung  Rezeptoren für grün und blau 15 neue Modellierung Rezeptoren für grün und blau polarisationsintensive Rezeptoren polarisationssensitive Rezeptoren Abbildung: Scientific American „polarization- detecting system“  Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Orientierung am Himmelsmuster 16 Orientierung am Himmelsmuster Zenit linear polarisiertes Licht steht senkrecht zu jedem Grosskreis der Sonne Polarisation dreht sich um 75º auf einem Höhenkreis Höhenkreis A und A` haben die gleiche Schwingungsrichtung Wie verändert sich das Licht beim Eintritt in die Atmosphäre? Abbildung: S.136 Beobachter Biene kann das aber durch Grad, Intensität und Farbe eindeutig unterscheiden Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Ziel des Vortrags   1. Was ist polarisiertes Himmelslicht? 17 Ziel des Vortrags 1. Was ist polarisiertes Himmelslicht?  2. Wie navigieren Bienen?  3. Verfügen alle Insekten über diese Orientierungsform? vermutlicherweise ja, eingehender untersucht wurden Ameisen und Bienen aus Plausibilitätsgründen und ähnlichem Aufbau => ja Nun können wir uns mit diesem Wissen an die 2.Fragestellung herantasten. Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002

Literatur von Frisch: Aus dem Leben der Biene. Springer, 1993 18 Literatur von Frisch: Aus dem Leben der Biene. Springer, 1993 Barth: Biologie einer Begegnung. DVA, 1982 Waloschek: Wörterbuch Physik. dtv, 1998 Gerthsen: Physik. Springer, 1963 Wehner: „Wie navigieren Insekten?“, Umschauartikel, 1975 Wehner: „Polarized-Light Navigation By Insects“, Scientific American Artikel, 1976 und das Internet  Seminar: Verhalten und Orientierung der Bienen Sommersemester 2002