13.09.2022, Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen
Schmetterlinge: Sterben in Wellen
Ein Wissenschaftler-Team aus Österreich, Polen und Deutschland, unter ihnen Senckenberger Prof. Dr. Thomas Schmitt, hat den Artenrückgang von Tagfaltern im österreichischen Bundesland Salzburg untersucht. In ihrer im Fachjournal „Science of Total Environment“ erschienenen Studie zeigen die Forscher anhand von knapp 60.000 Beobachtungspunkten und 168 Tagfalter- und Widderchenarten, dass der bisherige Rückgang der Schmetterlingsvielfalt in mindestens zwei Stufen erfolgte. Als Ursachen beider Aussterbewellen führt das Team Landschaftsveränderungen und Intensivierung der Landwirtschaft an. Sie zeigen zudem, dass die Naturschutzmaßnahmen zu einem Aussterbeende von gefährdeten Arten führen.
Den Hochmoor-Gelbling (Colias palaeno) findet man seit 1920 nur noch in ungestörten Hochmoorgebieten Salzburgs, seit 1960 wird in dem österreichischen Bundesland auch das Rotbraune Wiesenvögelchen (Coenonympha glycerion) immer seltener. Die beiden Tagfalter und 166 weitere Arten sind Gegenstand einer großangelegten Studie zum Rückgang von Schmetterlingsarten mit 59.870 Beobachtungspunkten auf einer Fläche von über 7.000 Quadratkilometern Größe. „Als Basis für unsere Arbeit haben wir Daten und Aufzeichnungen vom Haus der Natur Salzburg herangezogen, die bis in das Jahr 1920 zurück reichen. Sie zeigen, dass bereits zu Beginn des letzten Jahrhunderts zahlreiche Arten in ihren Beständen rückläufig waren. Ein zweites großes Aussterbeereignis fand dann in den 1960er-Jahren statt“, erläutert Prof. Dr. Thomas Schmitt vom Senckenberg Deutschen Entomologische Institut in Müncheberg und von der Universität Potsdam und fährt fort: „Dabei reagiert jede Art unterschiedlich auf die Veränderungen unserer Umwelt – somit gibt es für jede Art spezifische Faktoren, die zu einem Erlöschen lokaler Populationen und letztendlich zum kompletten Verschwinden der Art führen.“
Laut der Studie betraf die erste Welle des Artensterbens vor allem Schmetterlinge, die in sensiblen Ökosystemen wie Mooren lebten. „Solche Lebensräume wurden schon Ende des 19. Jahrhunderts, in der Zeit des intensivsten Bevölkerungswachstums in Europa, durch die starke Ausweitung der land- und forstwirtschaftlichen Nutzung zerstört. In diesem Zeitraum wurden beispielsweise viele Moore und Feuchtwiesen entwässert, aber auch ehemaliges trockenes Ödland in die Bewirtschaftung überführt – die Folge ist eine bis heute andauernde Abnahme von Arten, wie Colias palaeno, die auf diese Ökosysteme spezialisiert sind“, erklärt Erstautor Prof. Jan Habel von der Universität Salzburg.
Ab Mitte des letzten Jahrhunderts führte insbesondere die Reduktion der Lebensraumqualität zu einem Verlust der Schmetterlingsvielfalt. Vor allem für die 1960er-Jahre konnte das Forscher-Team vermehrt Rückgänge nachweisen, so beispielsweise für Schmetterlinge der artenreichen mageren Wiesen des Tieflandes. „Verantwortlich scheint hier die zu diesem Zeitpunkt einsetzende Industrialisierung der Landwirtschaft mit intensiven Einsätzen von Pflanzenschutzmitteln und künstlichen Düngemitteln zu sein. Hierdurch verschwanden viele naturnahe Elemente der Kulturlandschaft wie blütenreiche, magere Talwiesen mit ihrer hohen Artenvielfalt. Dieser Trend ist bis heute ungebrochen negativ“, ergänzt Schmitt. Die Auswertungen des Teams zeigen zudem, dass ab 1980 die Schmetterlingsvielfalt in montanen und alpinen Gebieten rückläufig ist und dass die Zerstörung natürlicher und naturnaher Landschaften auch in den Gebirgslagen angekommen ist.
Da Schmetterlinge eine Vielzahl von Lebensräumen besiedeln und ihre Populationstrends mit vielen anderen Insektengruppen übereinstimmen, sei diese Gruppe von Organismen ideal geeignet, um allgemeine Trends in der biologischen Vielfalt aufzuzeigen. Das Untersuchungsgebiet eigne sich durch seine Ökosystemvielfalt außerdem sehr gut für die Übertragbarkeit auf andere europäische Regionen, so die Forscher in ihrer Veröffentlichung.
Als Erfolg der Naturschutzmaßnahmen werten die Entomologen, dass die auf der Roten Liste als gefährdet gelisteten Arten seit der Mitte der 1990er-Jahre nicht weiter abnehmen. „Auch das Aussterben der auf Feuchtgebiete spezialisierten Arten wurde, aufgrund der dort ausgewiesenen Schutzgebiete, gebremst – die Vielfalt verharrt allerdings seither auf niedrigem Niveau“, fügt Habel hinzu. „Dieser Schutz und die durchgeführten Pflegemaßnahmen sind folglich nicht umsonst“ resümiert Schmitt und gibt abschließend zu bedenken: „Allerdings werden die Arten der Vorwarnliste, also solche, bei denen zukünftig eine Gefährdung zu befürchten ist, immer noch weniger. Es bleibt also noch viel zu tun, um die ursprüngliche Artenvielfalt unserer Kulturlandschaften zu bewahren und zu fördern!“
Originalpublikation:
Jan Christian Habel, Thomas Schmitt, Patrick Gros, Werner Ulrich (2022): Breakpoints in butterfly decline in Central Europe over the last century. Science of The Total Environment, Volume 851, Part 2. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.158315.
15.09.2022, Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Die Medizin der Ameisen
Der Biologe Dr. Erik Frank erforscht, wie eine afrikanische Ameisenart ihre Verwundeten versorgt. Zur Fortsetzung seiner Arbeit hat ihm die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) nun eine Emmy-Noether-Gruppe bewilligt.
Die afrikanische Matabele-Ameise (Megaponera analis) lebt bei der Jagd auf wehrhafte Termiten gefährlich. Ihre Verwundeten geben die Tiere aber nicht einfach auf. Je nach Grad der Verletzung retten und versorgen sie diese. Dabei entscheiden Verletzte selbst, ob ihnen geholfen wird. Fordert ein Exemplar Rettung, verhält es sich ruhig, gibt Pheromone ab und lässt sich zurück ins Nest tragen. Zu schwer verletzte Tiere bewegen sich dagegen hektisch und boykottieren dadurch einen Abtransport.
Damit aber nicht genug. Zurück im Nest werden die Sanitäter zu Ärzten und die Ameisen behandeln potentiell infektiöse Wunden auf eine Art, die man bisher nur vom Mensch kannte.
Ameisen nutzen antimikrobielle Stoffe
Erik Frank ist den Insekten bereits seit dem Masterstudium auf der Spur. Im Rahmen seiner Promotion an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg hatte er festgestellt, dass die Ameisen die Wunden ihrer Verletzten – zum Beispiel abgetrennte Beine – ableckten. Die Hypothese lautete, dass durch dieses Verhalten Infektionen verhindert werden sollten. Möglicherweise kämen sogar antimikrobielle Substanzen zum Einsatz.
Eine Theorie, die sich nun offenbar bestätigt hat: „Wir haben herausgefunden, dass verletzte Ameisen kommunizieren, wenn eine Wunde infiziert ist“, erklärt der Biologe. „In den aufgetragenen Substanzen fanden wir über hundert chemische Komponenten und 41 Proteine. Von etwa der Hälfte können wir bereits nachweisen, dass sie antimikrobielle Qualitäten besitzen“, fährt er fort. Diese Substanzen scheinen hocheffizient zu wirken, rund 90 Prozent der versorgten Tiere überlebten ihre Verletzungen. Diese Erkenntnisse entstammen größtenteils aus Untersuchungen, die Frank zuletzt während seiner dreijährigen Zeit als Post-doc an der Universität von Lausanne vorgenommen hatte.
Demnach produzieren die Ameisen die Stoffe in einer taschenartigen Drüse im hinteren Bereich des Thorax‘; der sogenannten Metapleuraldrüse. Das helfende Tier greift diese Substanzen – entweder bei sich selbst oder direkt von der verletzten Mitstreiterin – mit den Füßen auf, nimmt sie in den Mund und trägt sie von dort auf die Verletzung auf.
Bis jetzt einzigartig im Tierreich
„Wir haben es hier also mit einem komplexen System aus Diagnose und entsprechend angepasster Behandlung zu tun,“ erklärt Erik Frank. Nach aktuellem Stand der Forschung sei so etwas im Tierreich einzigartig. Bisher war man davon ausgegangen, dass nur der Mensch zur Diagnose von Infektionen und anschließender gezielter Wundbehandlung mit antimikrobiellen Stoffen in der Lage sei.
Nun möchte Erik Frank seine Forschungen ausweiten und ist dafür an die JMU zurückgekehrt.
In Würzburg baut er im Rahmen des Emmy-Noether-Programms eine Forschungsgruppe auf – Budget über sechs Jahre: rund 1,3 Millionen Euro. Sein langfristiges Ziel ist es, die Wundbehandlung im Tierreich als Forschungsbereich in der Biologie zu etablieren. Zunächst gelte es aber, die Forschung sukzessive auszuweiten. Dazu sucht er aktuell nach zwei Doktorandinnen oder Doktoranden, die jeweils zu einem weiteren Thema aus der Welt der Ameisen forschen sollen.
Während eines Aufenthaltes in Mosambik war Frank aufgefallen, dass die dortige Population von Megaponera analis bei der Jagd kaum Verletzungen davontrugen. Der Grund: „Sie jagen kleinere Termiten, die offenbar nicht in der Lage sind, sich effektiv zu verteidigen.“ Wurden die Ameisen im Versuch dennoch mit verletzten Tieren konfrontiert, gab es keine Hilfe. „Obwohl sie derselben Art angehören, haben sie dieses Verhalten also offenbar komplett abgelegt. Eine Frage wäre nun etwa, ob die Ameisen überhaupt noch die zur Wundheilung genutzten Substanzen produzieren – oder vielleicht ganz andere.“
Gegenstand des zweiten Projekts soll die in Mittel- und Südamerika vorkommende Eciton-Treiberameise sein. „Bei ihr konnte ebenfalls eine Wundversorgung beobachtet werden. Aufgrund der Dauer ihrer Raubzüge von zwölf bis 14 Stunden bringen die Eciton-Ameisen ihre Verletzten aber nicht zurück ins Nest, sondern behandeln sie direkt vor Ort.“
Bei der Untersuchung der produzierten und verwendeten antimikrobiellen Substanzen könnten möglicherweise sogar Stoffe gefunden werden, die einen Nutzen für die Humanmedizin haben.
Ausweitung auf andere Tierarten
Mittelfristig kann sich Frank vorstellen, ähnliche Studien vor allem bei anderen Insekten anzustellen. Bienen oder Termiten kämen etwa in Frage.
„Insekten bieten sich gerade im Hinblick auf Beobachtung und Versuch an“, so Frank, „allerdings könnte man solches Verhalten grundsätzlich an allen sozialen Tierarten untersuchen.“ So wurde etwa bei Schimpansenmüttern bereits beobachtet, dass diese Insekten aus der Luft fangen, zerkauen und den Speichel anschließend auf Wunden ihres Nachwuchses auftragen. Man wisse noch nicht, ob die Menschenaffen es dabei auf bestimmte Insekten abgesehen haben. Es ist aber nicht auszuschließen, dass sie sich ebenjene Stoffe zunutze machen, die zum Beispiel die Ameisen zur Wundbehandlung produzieren.
Schon die ersten Forschungsergebnisse hatten 2018 für mediales Interesse gesorgt. Dieses scheint mit den neuen Erkenntnissen weiter zuzunehmen. Zuletzt war Erik Frank an der Produktion eines bekannten Streaminganbieters beteiligt, der den begabten Insekten im Rahmen einer kommenden Doku-Reihe Bildschirmzeit widmen wird. Bei zwei weiteren geplanten Projekten anderer großer Anbieter wird er ebenfalls involviert sein.
15.09.2022, Universität Konstanz
Honigbienen stechen in größeren Gruppen seltener
Stechen oder nicht stechen? Für die Stechbereitschaft von Bienen spielt ein Alarmpheromon eine entscheidende Rolle – und ihre Gruppengröße, wie Konstanzer Wissenschaftlerinnen nun zeigen
Mit einem Löffel Honig fängt man mehr Fliegen als mit einem Fass voll Essig“, lautet ein Sprichwort. Honigbienen hingegen wollen eigentlich niemanden fangen. Aber ihr Honig lockt zahlreiche Fressfeinde in die Kolonie. Fliegen sind noch leicht zu vertreiben, viele Räuber sind oft deutlich größer. Sie nehmen zahlreiche Stiche der Honigbienen in Kauf, damit sie an die süße Nahrung kommen. Um sie mit einem gemeinsamen Stechangriff abzuwehren, müssen sich die Honigbienen zusammenschließen.
Diese Verteidigungsreaktion wird in der Regel von vorübergehend spezialisierten Honigbienen, den so genannten Wächterbienen, ausgelöst. Sie überwachen die Umgebung der Kolonie. Wenn sie ein großes Tier entdecken, das sich dem Bienenvolk nähert, stechen die Wächterbienen den Eindringling entweder. Oder sie fahren als Drohhaltung ihren Stachel aus und schlagen mit den Flügeln, wobei sie manchmal zeitgleich in den Bienenstock zu den anderen Bienen fliegen.
Honigbienen holen andere Bienen des Volkes zu Hilfe
„In beiden Fällen bewirkt ihr Verhalten die Freisetzung des Alarmpheromons, einer komplexen Geruchsmischung, die direkt am Stachel sitzt“, erklärt die Biologin Morgane Nouvian. Durch dieses chemische Signal werden andere Honigbienen in der Nähe alarmiert und an den Ort der Störung gerufen. Dort entscheiden sie, ob sie sich entweder an der Verteidigung beteiligen und den Räuber stechen oder ihn mit anderen Mitteln vertreiben. Das Alarmpheromon am Stachel spielt folglich eine wichtige Rolle bei der Verteidigung der Kolonie. Doch hat auch die Gruppengröße einen Einfluss?
Interdisziplinäre Studie zur Untersuchung der Auswirkung der Rahmenbedingungen auf die Abwehrreaktion einzelner Bienen
In einer interdisziplinären Zusammenarbeit entwickelten Nachwuchswissenschaftlerinnen vom Centre for the Advanced Study of Collective Behaviour der Universität Konstanz ein Modell und eine Methodik, um herauszufinden, wie sich die Reaktion von Honigbienen auf das bei der Verteidigung ausgeschüttete Alarmpheromon je nach Gruppengröße verändert. Die Ergebnisse wurden am 15. September 2022 in PLOS Computational Biology veröffentlicht.
„Unser Ziel ist es, die Auswirkung der Rahmenbedingungen auf die Abwehrreaktion der einzelnen Bienen zu untersuchen“, sagt Hauptautorin Morgane Nouvian. Das Team konzentrierte sich hierfür auf die Gruppengröße, da frühere Studien zeigten, dass dieser Faktor aggressive Reaktionen bei sozialen Insekten beeinflussen kann.
„Diese biologische Fragestellung stellte eine neue Herausforderung für die Computerwissenschaften dar“, sagt Informatikerin Petrov. „Soziales Feedback zu verstehen – also die Anpassung des kollektiven Verhaltens an Veränderungen der Gruppengröße –, erforderte den Umgang mit komplexen Modellen und begrenzten experimentellen Daten und damit die Integration modellbasierter und datengesteuerter Methoden.“
Zweigleisiger Forschungsansatz
Die Autorinnen beobachteten zunächst das Verhalten von Bienengruppen, die in einer Vorrichtung mit einer rotierenden Attrappe konfrontiert wurden. Das Forscherteam quantifizierte die Abwehrreaktion der Insekten. Dafür zählten sie am Ende eines jeden Versuchs die Anzahl der Stacheln in der Attrappe. Im nächsten Schritt verwendeten sie ein mathematisches Modell der Gruppendynamik, das die Wahrscheinlichkeit, ob eine einzelne Biene bei einer bestimmten Pheromon-Konzentration sticht, transparent mit dem im Experiment beobachteten Ergebnis ins Verhältnis setzt.
Das Verhalten Einzelner aus Gruppendaten zu extrahieren, sei aus Sicht der Informatik auf mehreren Ebenen herausfordernd, meint Petrov: „Es gibt bei Modellen über Gruppenverhalten viel zu viele Kombinationsmöglichkeiten und eine wachsende Anzahl von Modellparametern“, erklärt die Informatikerin. „Zudem sind Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheitsfaktoren notwendig, um unbekannte Parameter oder die begrenzte Größe der Datenstichprobe mit einzubeziehen.“
Bienen berücksichtigen ihr soziales Umfeld bei ihrer Entscheidung zu stechen
Die Zusammenarbeit zwischen Informatiker*innen und Neurobiolog*eröffnete beiden Seiten eine neue Forschungsperspektive, wie die Autorinnen resümieren: „Computertechnisch haben wir eine neuartige Methode vorgeschlagen, um individuelles Verhalten aus Populationsdaten zu extrahieren“, erklärt Tatjana Petrov. „Wir haben modernste formale Methoden und statistische Schlussfolgerungen kombiniert.“ Das Softwaretool der Autorinnen integriert alle Analyseschritte modular. Vom Doktoranden Matej Hajnal entwickelt und gewartet, ermöglicht die Software die Konzentration auf die biologische Fragestellung, während sie sowohl eine eindeutige Modellinterpretation als auch eine Quantifizierung der Unsicherheit liefert.
„Auf der biologischen Seite haben wir den Beweis erbracht, dass Bienen bei der Entscheidung zu stechen, ihren sozialen Kontext berücksichtigen“, fasst Nouvian zusammen.
„Zu dem Ergebnis kommen wir, indem wir unsere Analyse für jede Gruppengröße separat durchgeführt und dann die Dosis-Wirkungs-Kurve mit dem erhaltenen Alarmpheromon verglichen haben.“ Die Autorinnen zeigen, dass mit zunehmender Gruppengröße weniger weitere Bienen zu Hilfe fliegen – was als sozialer Bremsmechanismus zusätzlich zur Alarmpheromon-Kommunikation im Spiel ist.
Übertragbarkeit auf eine Reihe von anderen biologischen Systemen
„Unsere Methodik befasst sich zwar mit einem spezifischen sozialen Phänomen bei Honigbienen, kann aber auch als Proof-of-Concept für die aktuelle Herausforderung betrachtet werden, die Blackbox-Modelle des beobachteten kollektiven Verhaltens zu ‚öffnen‘ und interpretierbare Verhaltenshypothesen auf Ebene der Individuen zu erstellen“, sagt Petrov. Sie geht davon aus, dass sich ihr Ansatz auf eine Reihe anderer biologischer Systeme übertragen lässt. „Im Hinblick auf eine breitere Anwendung unseres Ansatzes stehen wir aber vor neuen rechnerischen Herausforderungen, insbesondere im Hinblick auf die Skalierbarkeit und die Quantifizierung von Unsicherheiten, z. B. bei großen Populationen, ungenauen Messungen und einer größeren kognitiven Kapazität von Individuen.“
• Tatjana Petrov, Matej Hajnal, Julia Klein, David Safránek, Morgane Nouvian: Extracting individual characteristics from population data reveals a negative social effect during honeybee defence, https://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1010305
