Woher kommt die Warnfarbe der Heuschrecken?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Insektenpraktikant (PhD in Biologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Wenn es um Tiere geht, die ihre Körperfarbe je nach Umgebung ändern, fällt einem als erstes das Chamäleon ein.

Chamäleon

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Es passt sich seiner Umgebung an und vermeidet Raubtiere, indem es seine Körperfarbe schnell ändert. Viele Kleintiere schützen sich mit dieser Schutzfärbung.

Ich glaube, Ihnen ist aufgefallen, dass die Heuschrecken und Gottesanbeterinnen, die wir in der Wildnis oft sehen, grün sind. Dies ist auch eine Schutzfarbe, die es ihnen ermöglicht, sich in das umgebende Grün einzufügen und zu verhindern, dass sie von natürlichen Feinden entdeckt werden.

Können Heuschrecken ihre Farbe ändern?

Zu unserer Überraschung entwickelt sich jedoch bei einer großen Anzahl von Heuschrecken und hoher Populationsdichte auf ihrer Körperfarbe langsam ein seltsames Muster aus Schwarz auf dem Rücken und Braun auf dem Bauch .

Und meistens kündigt diese scheinbar unbedeutende Veränderung eine bevorstehende Heuschreckenplage an. Daher untersuchen Wissenschaftler seit langem, wie sich grüne Einzelheuschrecken in schwarze und braune Schwarmheuschrecken verwandeln. Die Antwort auf diese Frage befriedigt nicht nur die Neugier der wissenschaftlichen Forschung, sondern bietet auch eine Analyse des Entstehungsmechanismus von Heuschreckenplagen aus mehreren Blickwinkeln, die für die Bekämpfung von Heuschreckenplagen von großer Bedeutung ist.

Die fünfte Larvenstufe der geselligen und einzelgängerischen Wanderheuschrecke

(Bildquelle: Referenzen)

Die Veränderung der Körperfarbe der Heuschrecken von verstreutem Grün zu geselligem Schwarz und Braun spiegelt ihre wunderbare Weisheit bei der Anpassung an die Umwelt wider.

Denn wenn natürliche Feinde wie Vögel auf Heuschrecken dieser beiden Farben treffen, jagen sie eher grüne Heuschrecken und meiden die auffälligen schwarzbraunen Heuschrecken, da die kontrastierenden Farben Schwarz und Braun in den Augen von Raubtieren als Warnfarben wirken.

Wenn die kleinen Heuschrecken allein und schwach sind, verwenden sie Grün als Schutzfarbe, während die geselligen Heuschrecken, wenn sie zahlreich und stark sind, zu schwarzen und braunen Warnfarben wechseln.

Vergleich zwischen geselligen und einzelgängerischen Heuschrecken

(Fotoquelle: Stimme der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)

Nachdem ich dies gelesen habe, glaube ich, dass Sie die gleichen Zweifel haben wie die Wissenschaftler: Was genau hat solche Veränderungen verursacht? Wie entsteht die schwarze Farbe auf dem Rücken einer Wanderheuschrecke?

Warum können Heuschrecken ihre Farbe ändern?

Tatsächlich entdeckte das Team um Akademiemitglied Kang Le bereits vor einigen Jahren, dass die schwarze Farbe auf dem Rücken der Herdenheuschrecke keine gewöhnliche Melaninablagerung ist, sondern eine rote Substanz, die aus dem β-Carotin-Bindungsprotein (βCBP) und β-Carotin besteht, das die grüne Haut der Einzelheuschrecke überlagert.

Dieser Wechsel der Körperfarbe von Grün nach Schwarz steht ganz im Einklang mit den Gesetzen der drei Grundfarben der Physik. Es scheint, dass sich im Körper der Heuschrecke eine „Palette“ befindet. Das Beta-Carotin-bindende Protein fungiert als „Pinsel“ und taucht es in rote „Farbe“, um die grünen Heuschrecken anzumalen. Die Farbe ihres Körpers wird schwarz. Die drei grundlegenden Farbabgleichsregeln der Physik lassen sich durch die Veränderungen der Körperfarbe der Heuschrecke perfekt interpretieren.

Drei Grundfarben

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Allerdings ist neben dem schwarzen Rücken auch die Bauchseite der Herdenheuschrecken braun, und die Entstehung und der Mechanismus dieses deutlichen schwarzbraunen Warnfarbmusters waren damals noch nicht bekannt.

Um den Entstehungsmechanismus der schwarzbraunen Warnkörperfarbe von Heuschrecken zu erforschen, suchte das Team um Akademiemitglied Kang Le von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften nach Genen, die mit der Entstehung der Warnkörperfarbe in Zusammenhang stehen, und analysierte die Zusammensetzung der schwarzen und braunen Kutikulaproteine ​​von Herdenheuschrecken. Sie fanden heraus, dass es immer noch dieser alte Freund ist: βCBP, das eine Schlüsselrolle bei der Bildung der schwarzbraunen Körperfarbe von Heuschrecken spielt.

Insbesondere sind es die unterschiedlichen Verteilungsgehalte der βCBP-β-Carotin-Komplexe, die den Unterschied in der Körperfarbe zwischen dem schwarzen Rücken und dem braunen Bauch der Heuschrecke bestimmen, wobei die Verteilungsmenge von βCBP-β-Carotin in der braunen Epidermis höher ist als in der schwarzen Epidermis.

Wanderheuschrecke

(Bildquelle: Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Was beeinflusst den Farbwechsel von Heuschreckenschwärmen?

An diesem Punkt würden viele Menschen ihre Forschungen vielleicht einstellen, doch der Wissensdurst und Forschergeist der Wissenschaftler veranlasste sie, weiter zu fragen: Was sind die Ursachen für die Unterschiede in der Menge der regulierten βCBP-Verteilung bei Heuschrecken? Durch schrittweises Screening fanden sie einen Regulator, ATF2.

Die Wissenschaftler stellten außerdem fest, dass ATF2 hauptsächlich im Zytoplasma der schwarzen Epidermis verteilt ist, während es bei brauner Epidermis hauptsächlich im Zellkern verteilt ist. Dieser Unterschied in der Lokalisierung wird durch die Phosphorylierung von ATF2-Serinstellen verursacht.

Durch verschiedene experimentelle Studien haben Wissenschaftler herausgefunden, dass der PKC-Signalweg ein wichtiges Serin in ATF2 phosphorylieren und die Transkription von βCBP fördern kann. Als sie PKC experimentell reduzierten, wurde die Produktion von βCBP gehemmt, was dazu führte, dass sich die Körperfarbe der Heuschrecken von einer schwarzbraunen Warnfarbe in eine grüne Schutzfarbe änderte .

Dieser Regulierungsmechanismus hängt eng mit der Populationsdichte der Heuschrecken zusammen. Mit zunehmender Populationsdichte der Heuschrecken verändert sich auch ihre Körperfarbe. Der intrinsische Regulierungsprozess besteht darin, dass PKC nach der Erkennung einer hohen Populationsdichte phosphoryliertes ATF2 Ser327 aktiviert, wodurch ATF2 in den Zellkern eindringen, an den βCBP-Promoter binden und die Transkription aktivieren kann.

Der Unterschied im Phosphorylierungsgrad von ATF2 in der schwarzen und braunen Epidermis führt zu unterschiedlich verteilten Mengen von βCBP auf der Rücken- und Bauchseite, was letztendlich dazu führt, dass die geselligen Heuschrecken eine warnende Körperfarbe mit schwarzem Rücken und brauner Bauchseite aufweisen.

Der Regulationsmechanismus der schwarzbraunen Körperfarbe bei Wanderheuschrecken

(Bildquelle: Referenzen)

Finden Sie es erstaunlich, wenn Sie das sehen?

Obwohl Heuschrecken klein sind, ist die Untersuchung ihrer Körperfarbe von großer biologischer Bedeutung.

Viele Insekten haben eine grüne Körperfarbe, die der von Heuschrecken ähnelt, also eine Kombination aus Gelb und Blau ist. Die Entstehung der schwarzen Körperfarbe ist zwar unterschiedlich, beruht aber überwiegend auf der Ablagerung von Melanin und Augenpigmenten.

Die Art und Weise, wie Heuschrecken durch die Kombination des aus βCBP und β-Carotin gebildeten roten Komplexes mit anderen Pigmenten eine schwarze Farbe bilden, ist wirklich erfrischend.

Die Unterschiede in der örtlichen Verteilung der βCBP-Expression und der ATF2-Phosphorylierung bei Herdenheuschrecken bilden Signalanweisungen und erzeugen so die kontrastierenden Warnfarben der schwarzen Rückenoberfläche und der braunen Bauchoberfläche.

Die Natur ist so magisch. Wir können nicht nur die drei Grundfarben zum „Bemalen“ von Heuschrecken verwenden, sondern auch die Menge des „Pigments“ steuern, um unterschiedliche Kontrasteffekte zu erzielen. Dies ist die Überlebensstrategie der Heuschrecken, sich an die Umwelt anzupassen und sich gegen natürliche Feinde zu verteidigen. Darüber hinaus ist die auffällige schwarzbraune Körperfarbe der geselligen Heuschrecken für sie auch ein Signal zur Identifizierung „freundlicher“ Arten. Denn nur wenn wir zwischen dem Feind und uns unterscheiden, können wir Unruhen verhindern und diese riesigen Heuschreckenschwärme von Zehntausenden in Schach halten.

Abschluss

In der Insektenwelt ist es ein weit verbreitetes Phänomen, dass die Körperfarbe von Insekten mit zunehmender Populationsdichte dunkler wird. Dies wird jedoch fast immer durch schwarze Pigmente verursacht, die direkt im Körper produziert werden. Daher ist diese erstmalige Entdeckung des Gesetzes der „Drei-Primärfarbpalette“ von großer Bedeutung für die Aufdeckung der Veränderungen der Körperfarbe bei unterschiedlicher Populationsdichte und hat einen wichtigen praktischen Wert für die Schädlingsvorhersage.

Quellen:

【1】Xinle Kang et al. ,Räumlich unterschiedliche Regulierung der ATF2-Phosphorylierung trägt zur Warnfärbung von Heuschrecken bei.Sci. Adv.9,eadi5168(2023).