Da es über einige zusätzliche Kopien seiner Gene verfügte, wurde es zum König des Trinkens!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Su Chengyu

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Stellen Sie sich vor, Sie dürften in den nächsten sieben Tagen keine feste Nahrung zu sich nehmen, hätten keine anderen Getränke zur Auswahl und könnten nur eine 80-prozentige Alkohollösung zu sich nehmen. Wie würden Sie sich ändern?

In den darauffolgenden Tagen spüren Sie, wie der Alkohol in Ihrer Kehle und Ihrem Magen brennt, und Sie können sogar ohnmächtig werden. Ihre Leber arbeitet wie eine Maschine und versucht, den Alkohol abzubauen, während sich Acetaldehyd (ein Zwischenprodukt des Alkoholstoffwechsels) in Ihrem Körper ansammelt und Ihre Organe wie ein „Gift“ angreift.

Schon nach einem Tag kann es zu Erbrechen, Schwindel und Verwirrtheit kommen. Am nächsten Tag kann Ihre Leberfunktion bereits stark beeinträchtigt sein. Eine Woche? Sie müssen sich das nicht vorstellen, denn wahrscheinlich sind Sie bereits gefallen.

Es klingt nach einer furchterregenden Extremherausforderung, aber in der Insektenwelt hat die Orientalische Hornisse (Vespa orientalis) dieses „Experiment“ tatsächlich auf eine Art und Weise gemeistert, die jenseits aller Vorstellungskraft liegt. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden im September 2024 in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Ergebnisse der Studie

(Bildquelle: Offizielle PNAS-Website)

Orientalische Wespen können alkoholische Getränke stehlen

Vespa orientalis, auch Orientalische Hornisse genannt, ist eine Insektenart aus der Familie der Vespidae in der Ordnung der Hautflügler. Es ist etwa 14–18 mm lang, überwiegend braun gefärbt und weist deutliche gelbe Streifen auf dem Hinterleib auf.

Orientalische Wespe

(Bildquelle: inaturalist)

Sofia Bouchebti ist eine Tierverhaltensökologin, die sich seit vielen Jahren auf die Anpassungsbeziehung zwischen Insekten und Umweltbelastungen konzentriert. Ihre Forschung begann während einer Exkursion, als sie beobachtete, dass orientalische Wespen ein ungewöhnliches Interesse an verrottendem Obst und weggeworfenen alkoholischen Getränken zeigten. „Sie schienen diesen Bedingungen nicht nur standzuhalten, sondern auch davon zu profitieren“, erinnert sich Sofia. „Das war sehr ungewöhnlich.“

Interesse der Insekten an Früchten

(Bildnachweis: Eran Levin)

Normalerweise nehmen die meisten Tiere nur geringe Konzentrationen Ethanol auf. Alkohol ist kalorienreich und enthält 7 Kalorien pro Gramm, fast doppelt so viel wie Zucker mit 4 Kalorien. Darüber hinaus ist es für den Körper giftig und eine übermäßige Einnahme kann zu Störungen des Nervensystems oder sogar zum Tod führen. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) stellt klar, dass es „keine sichere Menge an Alkoholkonsum gibt“.

Wie viel Alkohol kann die Orientalische Wespe trinken?

Um herauszufinden, wie viel Alkohol die Orientalische Wespe trinken kann, haben Sofia und ihr Team ein Experiment entwickelt. Sie präparierten mehr als 2.000 Orientalische Hornissen und Europäische Honigbienen und bereiteten für sie im Labor Zuckerwasserlösungen mit unterschiedlichen Ethanolkonzentrationen vor. Die Zuckerwasserlösung ist ein süßer Wein mit einem Alkoholgehalt von 1 % bis 80 %, der durch Zugabe einer Ethanollösung zu einer 50 %igen Saccharoselösung in einem bestimmten Verhältnis hergestellt wird.

Die Wissenschaftler beobachteten weiterhin ihr Verhalten und Überleben und gingen zunächst davon aus, dass eine 40-prozentige Alkoholkonzentration ausreichen würde, um sie bewegungsunfähig zu machen oder sie sogar zu töten. Doch es stellte sich heraus, dass sie nicht nur überlebten, sondern in Gegenwart von 80-prozentigem Alkohol auch aktiver waren als erwartet.

Experimentelle Daten zeigten, dass in einer Umgebung mit 80 % Ethanolkonzentration die Überlebensrate der Wespen über 95 % erreichte und ihr Nistverhalten (wie etwa Geschwindigkeit und Ausmaß des Baus des Bienenstocks) sich nicht signifikant von dem der Kontrollgruppe (ethanolfreies Zuckerwasser) unterschied. Offensichtlich hat die hohe Ethanolkonzentration im süßen Wein kaum Auswirkungen auf ihre täglichen Aktivitäten und sie können nach dem Trinken weiterhin arbeiten.

Orientalische Wespenarbeiterbienen haben eine hohe Ethanoltoleranz und ihre Überlebensrate ist selbst in einer Umgebung mit hoher Konzentration (80 %) nicht signifikant verringert.

(Bildquelle: Dokument 1)

Europäische Honigbienen, die ebenfalls am Experiment teilnahmen, konnten einer solchen Herausforderung dagegen nicht standhalten. Nach dem Genuss von hochkonzentriertem Süßwein wurde das Verhalten der Bienen äußerst instabil, ihre Flügel zitterten und ihre Bewegungen wurden langsam, als wären sie mit unsichtbaren Fesseln bedeckt, und schließlich starben sie innerhalb von 24 Stunden in großer Zahl.

Orientalische Wespen zeigten eine extrem hohe Toleranz gegenüber hohen Ethanolkonzentrationen, während Honigbienen unter ähnlichen Bedingungen eine geringere Überlebensfähigkeit zeigten, was darauf hindeutet, dass es erhebliche Unterschiede in ihren Stoffwechselmechanismen gibt.

(Bildquelle: Dokument 1)

Warum kann die Orientalische Wespe so gut trinken?

Die Wissenschaftler verwendeten einen speziellen Marker – das Isotop „13C1-markiertes Ethanol“. Vereinfacht ausgedrückt wurde dem Ethanol ein „Tracker“ zugesetzt, um den Stoffwechselweg des Ethanols im Körper der Wespe beobachten zu können.

Wissenschaftler fanden heraus, dass die Aktivität der Alkoholdehydrogenase (NADP+) bei Wespen unter Bedingungen hoher Ethanolkonzentration signifikant zunahm. Alkoholdehydrogenase ist ein Schlüsselenzym, das für den Abbau von Ethanol verantwortlich ist. Dabei wird Ethanol zunächst zu Acetaldehyd (einem Zwischenmetaboliten) abgebaut, welches dann weiter in Essigsäure (also Essigsäure) umgewandelt wird und schließlich in den Stoffwechselkreislauf des Körpers gelangt und zu einer unschädlichen Substanz wird, die vom Körper genutzt werden kann. Insbesondere bei einer Ethanolkonzentration von 80 % erhöhte sich die Aktivität der Alkoholdehydrogenase im Vergleich zur Gruppe mit niedriger Konzentration um etwa das Dreifache.

Durch Forschung fanden Wissenschaftler schnell die Antwort: mehrere Kopien von Genen. Die Wissenschaftler verwendeten die tblastn-Methode, um die Duplikation von Genen für Ethanol-metabolisierende Enzyme in Vespa orientalis und anderen Vespa-Arten zu analysieren.

tblastn ist ein auf BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) basierendes Bioinformatik-Tool, das zur Suche nach Regionen verwendet wird, die mit bestimmten Proteinsequenzen in Nukleinsäuresequenzdatenbanken übereinstimmen. Durch Sequenzvergleichsanalyse bestätigten Wissenschaftler das Phänomen mehrfacher Kopien von Alkoholdehydrogenase-Genen, die sich auf demselben Chromosom befinden. Es wird spekuliert, dass dies alles durch Tandem-Duplikation verursacht werden könnte.

Bei einem Tandemduplikationsereignis handelt es sich um ein Phänomen der genomischen Rekombination, bei dem ein Abschnitt der DNA-Sequenz eines Gens wiederholt kopiert und an seiner ursprünglichen Stelle eingefügt wird, wodurch mehrere hintereinander angeordnete Genkopien entstehen. Diese Genkopien liegen meist auf demselben Chromosom, nahe beieinander, quasi „tandemartig“, daher spricht man auch von Tandemduplikationen.

Gerade weil die Orientalische Hornisse über mehrere zusätzliche Kopien des Alkoholdehydrogenase-Gens verfügt, wird die Geschwindigkeit des Ethanolabbaus erheblich gesteigert, was nicht nur ihre Toleranz gegenüber hochkonzentriertem Ethanol verbessert, sondern es ihr auch ermöglicht, es als Energiequelle zu nutzen.

Orientalische Wespe

(Bildquelle: Wikipedia)

Insekten besitzen häufig mehrere Kopien von Genen in ihrem Genom, insbesondere wenn sie äußerem Umweltstress ausgesetzt sind, etwa durch den Einsatz von Insektiziden oder die Ansammlung von Giftstoffen in der Umwelt. So steht beispielsweise die Insektizidresistenz des Baumwollkapselwurms in direktem Zusammenhang mit den zahlreichen Kopien von Antitoxin-Enzymgenen (wie etwa P450-Enzymen oder Acetylcholinesterase) in seinem Körper.

Der Grund, warum sich Insekten durch das Phänomen der Genvielfachkopie leichter an Umweltbelastungen anpassen können als andere Organismen, liegt darin, dass sie sich schnell vermehren, große Populationen bilden und dass Mutationen und Genvielfachkopien eher auftreten und in der Population erhalten bleiben. Darüber hinaus sind Insektengenome relativ klein und einfach, was die Häufigkeit von Gen-Mehrfachkopien erhöht.

Wie ist die Trinkfähigkeit der Orientalischen Wespe einzustufen?

Basierend auf bestehenden Forschungsergebnissen gelten Spitzhörnchen als die Wirbeltierart, die am besten an die Aufnahme von Ethanol angepasst ist. In ihrem natürlichen Lebensraum nehmen sie regelmäßig Nahrungsmittel mit Ethanolkonzentrationen von bis zu 3,8 % zu sich, ohne dass dies sichtbare Folgen hat. Unter Laborbedingungen kann jedoch die langfristige Einnahme einer Ethanolkonzentration von 10 % innerhalb von 14 Tagen zu schweren Leberschäden führen.

Unter den wirbellosen Tieren galten Fruchtfliegen früher als die leistungsstärksten. Bei Fruchtfliegen treten keine negativen Auswirkungen auf, wenn sie Ethanolkonzentrationen unter 4 % zu sich nehmen, Konzentrationen über diesem Schwellenwert erhöhen die Sterblichkeit jedoch erheblich. Im Gegensatz dazu kann die Orientalische Wespe in Experimenten Ethanolkonzentrationen von bis zu 80 % tolerieren, was bei anderen Tieren äußerst selten ist.

Die Forschung an orientalischen Wespen enthüllt den Mechanismus, durch den sich Insekten an Alkohol anpassen, sowie die komplexe Beziehung zwischen Genen, Umweltbelastungen und Evolution, was zum Nachdenken über das genetische Potenzial des Menschen geführt hat. Durch die Untersuchung dieser in der Natur verborgenen „kleinen Monster“ versuchen Wissenschaftler, die Geheimnisse des Alkoholstoffwechsels zu lüften und die Entwicklung der Koevolution von Genen und Umwelt zu erforschen.

Quellen:

1. Bouchebti S, Gershon Y, Gordin A, et al. Toleranz und effizienter Stoffwechsel extrem hoher Ethanolkonzentrationen durch eine soziale Wespe [J]. Proceedings der National Academy of Sciences, 2024, 121(44): e2410874121.