Wissenschaftler haben eine neue Funktion dieser Substanz entdeckt, die Heuschrecken dazu verleiten kann, sich zu versammeln und Katastrophen zu verursachen

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Insektenpraktikant (Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Geheimnisse der Biowissenschaften zu entschlüsseln, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Neues Wissen über das Leben“ veröffentlicht, die Lebensphänomene interpretiert und die Geheimnisse der Biologie aus einer einzigartigen Perspektive enthüllt. Tauchen wir ein in die Welt des Lebens und erkunden wir die unendlichen Möglichkeiten.

Apropos Heuschrecken: Jeder sollte sie kennen. Es handelt sich um Insekten, die im Sommer und Herbst auf städtischen Rasenflächen oder auf dem Gras auf Feldern herumspringen und manchmal schnell und niedrig fliegen. Sie sind allgemein als „Heuschrecken“ bekannt und ihr wissenschaftlicher Name lautet Locust migratoria (es gibt viele Arten von Heuschrecken, und Locust migratoria ist nur eine davon).

Doch in den frühen Jahren, als unsere Eltern und Großeltern noch lebten, erschraken die Menschen schon bei der Erwähnung des Wortes „Heuschrecke“. Dies lässt sich bereits an der Charaktererstellung erkennen. Das Zeichen „Heuschrecke“ ist eine Kombination aus „Insekt“ und „Kaiser“. Die Menschen der Antike waren der überwältigenden Heuschreckenplage hilflos ausgeliefert. Sie glaubten, dass Heuschrecken die Könige der Insekten seien und bauten sogar Heuschreckentempel, um sie anzubeten und zu beten, dass es keine Heuschreckenplage geben möge.

Heuschrecke

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Haben Sie sich schon einmal gefragt: Warum können winzige Heuschrecken eine Katastrophe anrichten? Warum haben wir seit Jahrzehnten nie von schweren Heuschreckenplagen in China gehört? Ist es übertrieben zu sagen, dass es Heuschreckenplagen gibt?

Die Antwort ist, dass Heuschreckenplagen keineswegs alarmierend sind; sie existieren wirklich. Der Grund, warum es in China noch nie zu großflächigen Heuschreckenplagen gekommen ist, liegt darin, dass Heuschreckenplagen nach der Gründung der Volksrepublik China durch wissenschaftliche Bekämpfung im Wesentlichen ausgerottet wurden. Daher fällt es heute vielleicht jedem schwer, die Heuschreckenplagen und das elende Leben der Menschen zu verstehen, das in Filmen und Fernsehserien beschrieben wird. In der Geschichte zählen Heuschreckenplagen jedoch neben Überschwemmungen und Dürren zu den drei größten Naturkatastrophen. In alten Zeiten vernichteten Heuschrecken, die überall am Himmel herumflogen, die jährliche Ernte der Menschen und verschonten nicht einmal alle grünen Blattpflanzen. China wird seit tausend Jahren von Heuschreckenplagen heimgesucht und gehört hinsichtlich Schwere und Ausmaß zu den am stärksten betroffenen Ländern der Welt!

Um Problemen vorzubeugen, bevor sie auftreten, betreibt unser Land Forschung zur Heuschreckenbekämpfung. Dabei geht es schon lange über die statistische Klassifizierung und morphologische Beobachtung hinaus, es ist tief in den molekularen Bereich vorgedrungen und nimmt weltweit sogar eine Vorreiterrolle ein.

Was zieht Heuschreckenschwärme an?

Nach Beobachtungen und Untersuchungen stellten Wissenschaftler fest, dass diese verstreuten grünen Heuschrecken im Gras keine Naturkatastrophen verursachen, sondern ein wichtiger Teil des Ökosystems sind. Wenn sie jedoch zusammenkommen, werden sie zu einer Katastrophe. Was genau führt also dazu, dass die ursprünglich harmlosen Heuschrecken schwärmen und zu einer Katastrophe werden?

Dieses Problem bereitet Wissenschaftlern seit fast hundert Jahren Kopfzerbrechen, seit Igor Juwalow, der Vater der Heuschreckenforschung, im Jahr 1921 entdeckte, dass es zwei Arten von Heuschrecken gibt: einzeln (keine Plage) und in Herden (eine Plage).

Einzelgänger und Herdenheuschrecken

(Bildquelle: Referenz 1)

Erst im Jahr 2020 entdeckte Kang Le, ein Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, unter der Leitung eines Teams des Zoologischen Instituts der Chinesischen Akademie der Wissenschaften durch gründliche und sorgfältige Forschung schließlich die chemische Substanz, die Heuschrecken anlockt und sie bei Katastrophen anlockt: 4-Vinylanisol (im Folgenden als 4VA bezeichnet). Die Verbindung 4VA wirkt als Lockstoff, der Heuschrecken anlockt und sie bei Katastrophen über die Geruchsrezeptoren der Heuschrecken zusammenbringt.

Diese Forschung ist von großer Bedeutung. Zum ersten Mal wurden die chemischen Signale, die Heuschreckenplagen auslösen, auf mikroskopischer Ebene entdeckt . Damit wurde ein Problem gelöst, das in der Insektenforschung seit einem Jahrhundert besteht. Nach der Modifizierung der 4VA-Rezeptoren des Geruchssinns der Heuschrecken können Heuschrecken nicht mehr durch 4VA angelockt und gesammelt werden und es kommt nicht mehr zu Heuschreckenplagen.

Eine weitere Identität von 4VA, die Heuschreckenschwärme verursachte

Nach dieser Untersuchung wurde das Geheimnis der Heuschreckenplage gelüftet. Doch weitere Untersuchungen zu 4VA haben eine andere Identität enthüllt.

Erstens haben zahlreiche Studien gezeigt, dass soziale Tiere häufig einen hohen Grad an reproduktiver Synchronisation aufweisen , d. h., die Individuen in der Gruppe haben gleiche oder ähnliche Fortpflanzungszyklen.

Diese Eigenschaft bietet Tieren viele Vorteile für das Überleben in der Natur. Synchronisierte Zyklen der Geschlechtsreife und der Fortpflanzung sind für den Gruppenerhalt und die kollektive Migration förderlich. Durch synchrone Zucht können die Paarungserfolgsrate einzelner Tiere und die Überlebensrate der Nachkommen innerhalb einer Tiergruppe erheblich verbessert, das Risiko der Raubtierjagd einzelner Tiere verringert und die Anpassungsfähigkeit der Tiere in der Gruppe an die Umwelt verbessert werden. Es handelt sich um eines der zentralen biologischen Merkmale des Gruppenverhaltens von Tieren.

Aber wie kommt es zu dieser reproduktiven Synchronizität? Dieses Thema hat Wissenschaftler schon immer beschäftigt.

Derzeit zeigen immer mehr Studien, dass neben dem Einfluss des äußeren Klimas und der biologischen Rhythmen auch der Informationsaustausch zwischen Individuen eine Rolle bei der reproduktiven Synchronisation spielt.

So schlug beispielsweise die Biologin Martha McClintock 1971 erstmals den „White“-Effekt vor. Ihr Forschungsschwerpunkt liegt auf der Beobachtung und Analyse des Phänomens der physiologischen Zyklussynchronisation zwischen weiblichen Mäusen. Sie schlug vor, dass von Männchen ausgesendete chemische Signale den weiblichen Menstruationszyklus beeinflussen und so zu einer Synchronisierung der weiblichen Menstruationszyklen innerhalb einer Gruppe führen könnten. Diese Theorie wurde später auf andere Säugetiere ausgeweitet, der zugrunde liegende Mechanismus ist jedoch noch immer unklar.

Heuschrecken legen Eier

(Fotoquelle: Nachrichtennetzwerk der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)

Auf der Grundlage des oben genannten Forschungshintergrunds ist die reproduktive Synchronisierung von Heuschreckenschwärmen eine gute Forschungsrichtung.

Daher arbeiteten das Forscherteam um Wang Xianhui und das Team um Akademiemitglied Kang Le zusammen und entdeckten, dass das Heuschreckenaggregationspheromon (4-VA) auch die Funktion hat, die synchrone sexuelle Reifung weiblicher Individuen zu fördern.

Zunächst analysierten die Wissenschaftler die Eizellenentwicklung und den Zeitpunkt der ersten Eiablage bei geselligen und einzelgängerischen Insektenweibchen. Dabei stellten sie fest, dass gesellige Weibchen früher und häufiger die Geschlechtsreife erreichten als einzelgängerische Tiere und dass ihre Eiablagezeit auch konzentrierter war. Durch die Kontrolle der Geschlechtsvariable wurde außerdem entdeckt, dass die synchrone Geschlechtsreife weiblicher Heuschrecken durch chemische flüchtige Stoffe auf der Oberfläche geselliger Männchen herbeigeführt wird, während flüchtige Stoffe auf der Oberfläche geselliger Weibchen und einzelgängerischer Männchen keine synchrone Fortpflanzung bei Weibchen herbeiführen können.

Wenn mutierte weibliche Heuschrecken, die ihren Geruchssinn verloren haben, durch den Geruch geselliger männlicher Insekten stimuliert werden, kommt es nicht zum Phänomen der Synchronisierung der Geschlechtsreife. Diese Experimente zeigen, dass ein von geselligen männlichen Heuschrecken ausgesendetes Geruchssignal die synchrone sexuelle Reifung weiblicher Heuschrecken auslöst.

Was genau ist dieses Geruchssignal?

Durch Analyse und Vergleich der Zusammensetzung und des Gehalts flüchtiger Stoffe auf der Körperoberfläche geselliger Männchen, geselliger Weibchen und einzelgängerischer erwachsener Männchen wurden fünf flüchtige Stoffe mit hohen Freisetzungsraten durch gesellige erwachsene Männchen identifiziert. Nachdem die Auswirkungen von fünf flüchtigen Gerüchen auf die synchrone Geschlechtsreife der Weibchen einzeln getestet wurden, stellte sich heraus, dass nur 4-Vinylanisol (4-VA) eine signifikante Wirkung hatte.

Überraschenderweise wurde bei Tests mit weiblichen Individuen unterschiedlichen Alters festgestellt, dass 4-VA die Geschlechtsreife bei jungen Weibchen fördern konnte, bei älteren Weibchen (5–6 Tage nach dem Schlüpfen) jedoch keine offensichtliche Wirkung hatte.

Die Ergebnisse des Experiments zur Antennennervenreaktion zeigten jedoch, dass es bei der Geruchswahrnehmung von 4-VA bei weiblichen Heuschrecken unterschiedlichen Alters keinen Unterschied gab, was darauf hindeutet, dass der Altersunterschied bei dieser die sexuelle Reifung fördernden Wirkung nicht durch Unterschiede im Geruchssinn verursacht wurde.

Heuschrecke auf Pflanze

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Welcher Mechanismus beeinflusst also den Altersunterschied bei der Wirkung von 4-VA auf die sexuelle Reifung?

Weitere Studien ergaben, dass die Gene für den Stoffwechsel des Juvenilhormons (JH) in den seitlichen Rachenkörpern (ähnlich den neuroendokrinen Drüsen) junger Weibchen, die mit 4-VA behandelt wurden, signifikante Veränderungen durchliefen und der JH-Gehalt im Körper anstieg, während bei älteren Weibchen keine Veränderung auftrat.

Es wurden Experimente mit mutierten Heuschrecken durchgeführt, die ihren Geruchssinn verloren hatten. Drei bis vier Tage nach dem Schlüpfen wurde ihnen künstlich JH injiziert, wodurch die Synchronisierung der Geschlechtsreife der mutierten Weibchen verbessert wurde. Da JH ein zentrales endokrines Hormon bei der Regulierung der Heuschreckenreproduktion ist, ist es das Juvenilhormon (JH), das die Unterschiede in der Empfindlichkeit gegenüber 4-VA bei weiblichen Individuen unterschiedlichen Alters verursacht.

Mechanismus der hochvolatilen 4-VA bei sozial aktiven männlichen Erwachsenen, der die Synchronisierung der weiblichen Geschlechtsreife fördert

(Bildquelle: Referenz 2)

Abschluss

In der Welt der Wanderheuschrecken aktiviert der von den Männchen zu bestimmten Zeiten ausgesendete Duftstoff „4-VA“ das JH-System erwachsener Weibchen und beschleunigt so die Geschlechtsreife junger Weibchen. Durch diese „Aufholstrategie“ wird eine Synchronisierung der Geschlechtsreife innerhalb der gesamten Gruppe erreicht. Offensichtlich deutet die funktionelle Vielfalt von 4-VA darauf hin, dass diese Verbindung eine sehr wichtige Rolle bei der Bildung und Erhaltung großer Heuschreckenpopulationen spielt. Um die Heuschreckenplage auszumerzen, müssen wir sowohl die Symptome als auch die Grundursache behandeln. Die magische Chemikalie 4VA gibt uns Hoffnung, denn indem wir sie hemmen, können wir nicht nur verhindern, dass sich die Heuschreckenplagen von heute vermehren und Katastrophen verursachen, sondern auch die Beständigkeit ihres Wachstums und ihrer Entwicklung zerstören, wodurch die nächste Heuschreckengeneration zerstreut wird und weniger wahrscheinlich Katastrophen verursacht.

Dieses Forschungsergebnis zeigt uns auch, dass wir im Prozess der Erforschung und Entdeckung den Mut haben müssen, uns etwas vorzustellen und von einem Beispiel zum anderen Schlussfolgerungen zu ziehen, und dass alte Freunde neue Gesichter bekommen können.

Quellen:

1. Guo, X., Yu, Q., Chen, D. et al. 4-Vinylanisol ist ein Aggregationspheromon bei Heuschrecken. Nature 584, 584–588 (2020).

2. Dafeng Chen, Li Hou, Jianing Wei, Siyuan Guo, Weichan Cui, Pengcheng Yang, Le Kang, Xianhui Wang (2022) Aggregationspheromon 4-Vinylanisol fördert die Synchronität der sexuellen Reifung bei weiblichen Heuschrecken eLife 11:e74581