Das namensgebende Merkmal der Tiefsee-Anglerfische ist die Ausbildung einer „Angel“ (Illicium), also eines Leuchtorgans oberhalb des Maules der Tiere, welches sich wahrscheinlich aus einem der vordersten Stachel der Rückenflosse entwickelt hat. Diese sind nur bei den großen Weibchen ausgebildet, die Männchen leben als Zwergmännchen häufig angewachsen an den Weibchen. Die Weibchen sind meistens rundlich, können jedoch auch lang gestreckt sein. Sie besitzen ein sehr großes Maul, welches sich enorm erweitern kann um Beutetiere aufzunehmen, die größer sind als das Tier selber. Auch der Magen ist entsprechend dehnbar und kann Beutetiere aufnehmen, die doppelt so groß wie der Fisch selber sind.

Die Weibchen der Tiefsee-Anglerfische lauern mit leuchtender Angel auf angelockte Beutetiere. Sobald sich ein potentielles Opfer der Angel nähert, reißt der Fisch sein Maul auf und saugt die Beute über den dadurch entstehenden Unterdruck in das Maul.

Ein großer Teil der Tiefsee-Anglerfische zeigt einen deutlichen Geschlechtsdimorphismus, bei dem das Männchen als Zwergmännchen deutlich kleiner ist als das Weibchen. Dabei kann etwa ein Gigantactis-Weibchen eine Größe von 40 Zentimetern erreichen, die Männchen der gleichen Art sind nur zwei Zentimeter groß. Nach der Metamorphose von der Fischlarve in das adulte Tier beginnt das Männchen mit Hilfe seiner Augen und des gut ausgebildeten Geruchssinnes ein Weibchen zu finden. Hat es eines erreicht, beißt es sich an diesem fest, die Kiefer des Männchens bilden sich danach zurück und die Haut beider Tiere verwächst, ebenso die Blutgefäße. Bis auf die Kiemen werden alle Organsysteme reduziert und die Ernährung erfolgt anschließend nur noch über den Blutkreislauf des Weibchens.

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