Wie kamen Käfer zu ihren harten Schalen?

Autor: Ji Qiaoqiao (Nordöstliches Institut für Geographie und Agrarökologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Der Artikel stammt vom offiziellen Account der Science Academy (ID: kexuedayuan)

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Käfer (Coleoptera) ist ein allgemeiner Begriff für Insekten aus der Ordnung Coleoptera. Sie unterscheiden sich von anderen Insekten durch die „harte Panzerung“ an der Außenseite ihres Körpers. Als größte Ordnung in der Klasse Insecta gibt es derzeit weltweit 183 Käferfamilien mit mehr als 400.000 beschriebenen Arten, was 25 % aller Arten auf der Welt entspricht. Die „harte Panzerung“ ist das Exoskelett des Käfers, das einem gewissen Druck standhalten und sein inneres Gewebe schützen kann.

Wie schwer ist es?

Abbildung 1: Ein Stein mit einem Gewicht von mehr als 15,2 kg kann den Brustkorb brechen (ohne äußere Krafteinwirkung außer dem Gewicht selbst) (Quelle: Youku-Video)

Abbildung 2: Die zappelnden Tentakel bleiben auch nach dem Überfahren durch ein Auto intakt (Quelle: Nature)

Kürzlich haben Wissenschaftler entdeckt, dass die Flügeldecken eines Käfers namens Eisenkäfer (auch bekannt als „Eisenbarrenkäfer“, eine Art aus der Familie der Tenebrionidae, lateinischer Name: Phloeodes diabolicus) einem maximalen Druck von bis zu 149 N (ca. 15,2 kg, etwa das 39.000-fache seines Eigengewichts) standhalten können und der Käfer sogar dann unverletzt bleibt, wenn er von einem Auto überfahren wird! Wissenschaftler haben es untersucht und Befestigungselemente aus Kohlefaserverbundwerkstoff entwickelt, die stärker sind als herkömmliche Befestigungselemente in der Luftfahrt.

Abbildung 3: Die Struktur der Fusionsstelle der Flügeldecken des Eisenkäfers (Quelle: Referenz [2])

Die Frage ist also: Wie ist die Zusammensetzung einer solchen harten Schale?

Wie kamen Käfer zu ihren harten Schalen?

Die Substanz, die die Grundform des menschlichen Körpers stützt, sind die Kalziumknochen. Wir können den Kalziumbedarf des Körpers durch den Verzehr von mehr Milch, Sojaprodukten, Seetang, getrockneten Garnelen und Sonnenbaden decken. Wenn Insekten auch über Kalziumskelette verfügen, ist es schwer vorstellbar, wie sie dieses Spurenelement aus der Natur beziehen müssen. Schließlich verbringen sie die meiste Zeit mit der Suche nach Nahrung, um die Nährstoffe zu ergänzen, die sie zur Aufrechterhaltung der grundlegenden Körperfunktionen benötigen. Wenn sie viel Zeit mit der Suche nach Kalzium verbringen, können sie nicht wirklich überleben.

Der Hauptbestandteil des Endoskeletts und Exoskeletts von Käfern ist Chitin (auch Chitin genannt), ein großes, durch Glucoseketten modifiziertes Strukturpolysaccharid. Es kommt häufig in Pilzzellwänden und bestimmten harten Strukturen von Wirbellosen und Fischen vor. Wenn Käfer Eier legen, verfügen sie bereits über eine kleine Menge an Polysacchariden, die für die Erhaltung des Brutapparates und die Bildung von Chitin erforderlich sind. In späteren Stadien werden die vom Körper benötigten Nährstoffe hauptsächlich durch aktive Nahrungsaufnahme aufgenommen.

Chitin ähnelt Zellulose und Keratin (Zellulose ist das Gewebe, das die Morphologie und den Materialtransport von Pflanzen unterstützt; Keratin ist der Hauptbestandteil von Tiernägeln). Es handelt sich um ein Strukturpolymer aus kleineren Monomeren oder Monosacchariden, das starke Fasern bildet. Wenn Gewebe außerhalb oder innerhalb von Zellen abgesondert wird, bilden diese Gewebe chemische Bindungen und verbinden sich miteinander, wodurch die Festigkeit der gesamten Struktur erhöht wird.

Wie wird Chitin bei Käfern synthetisiert?

Am Prozess der Polysaccharidsynthese von Chitin sind hauptsächlich mehrere Enzyme beteiligt, darunter Trehalase (TRE) und Chitinsynthase (CHS). Der Prozess gliedert sich im Wesentlichen in die folgenden Schritte:

(PS: Der folgende Inhalt wurde hinzugefügt, um vorzutäuschen, sehr professionell zu sein. Es reicht zu wissen, dass Polysaccharide unter der Katalyse verschiedener Enzyme Chitin bilden. Sie können versuchen, es zu verstehen. Studenten, die es wirklich nicht verstehen, können direkt zum nächsten Teil springen ╮(￣▽ ￣)╭)

1) Synthese von Trehalose:

Glucose-6-phosphat verbindet sich unter Katalyse der Trehalose-Synthase (TPS) mit Uridindiphosphat (UPD)-Glucose zu Trehalose-6-phosphat, das dann unter Einwirkung der Trehalose-Phosphorylase (TPP) weiter dephosphoryliert wird, um Trehalose und Phosphat zu bilden.

2) Synthese von Glukose:

Die erzeugte Trehalose wird durch Trehalosehydrolase (TRE) weiter hydrolysiert, um Glucose zu produzieren. TRE kann in lösliche Trehalase (TRE1) und membrangebundene Trehalase (TRE2) unterteilt werden. Ersteres kommt frei im Zytoplasma vor und ist für den Abbau von endogener Trehalose (etwa im Blutkreislauf und Verdauungssystem) verantwortlich; Letzteres ist ein extrazelluläres Enzym, das an die Mitochondrien in den Muskeln bindet und für die Aufnahme und Assimilation von exogener Trehalose verantwortlich ist. Ein Molekül Trehalose kann in zwei Moleküle Glucose hydrolysiert werden, die in verschiedenen physiologischen und lebenswichtigen Aktivitäten verwendet werden, einschließlich der Stressresistenz und Anpassung von Insekten, die auch durch die Kontrolle des Trehalosegehalts erreicht werden.

Abbildung 4 Syntheseweg von Chitin (Quelle: adaptiert aus Referenz [3])

3) Synthese von Chitin:

Glucose muss Hexokinase (HK), Glucose-6-phosphat-Isomerase (G6PI), Fructose-6-phosphat-Aminotransferase (GFAT), Glucosamin-6-phosphat-N-Acetylaminotransferase (GNPNA), Phosphoacetamido-Glucose-Mutase (PGM) und UDP-N-Acetylglucosamin-Pyrophosphorylase (UAP) durchlaufen, um UDP-N-Acetylglucosamin zu synthetisieren und schließlich durch CHS-Katalyse Chitin zu bilden. CHS wird auch in zwei Typen unterteilt: CHS1 und CHS2. Ersteres ist hauptsächlich für die Synthese von Chitin in der Insektenkutikula und der Luftröhre verantwortlich, während letzteres nur für die Synthese von Chitin auf der peritrophen Membran des Mitteldarms (nahe der Innenwand des Mitteldarms, die Nahrung umhüllen, Epithelzellen des Mitteldarms schützen und die Aufnahme und Verdauung der Nahrung erleichtern kann) verantwortlich ist.

Welchen Nutzen hat es, Chitin zu verstehen?

Nachdem wir den Syntheseweg von Chitin verstanden haben, können wir einige Phänomene, die während der Entwicklung der harten Schale des Käfers auftreten, besser erklären und wir können auch in den Käfer eingreifen, indem wir auf den Chitinsyntheseweg einwirken.

Wenn beispielsweise TRE gehemmt wird, kann Trehalose nicht zu Glukose hydrolysiert werden und der Stoffwechsel wird blockiert. Zu diesem Zeitpunkt ist die Chitinsynthese bei den meisten Insekten reduziert, was zu Flügeldeformationen, Schwierigkeiten bei der Häutung, Gewichtsverlust, Wachstumsstörungen und sogar zum Tod führt. Wenn Nutzpflanzen oder Wälder von Insekten befallen werden, können wir daher eine Eindämmung der Katastrophe durch die Hemmung von TRE in Betracht ziehen (dasselbe gilt für die Hemmung mehrerer pathogener Mikroorganismen). oder wenn die von uns gezüchteten Insekten die oben genannten Symptome zeigen, kennen wir die Ursache der Krankheit und können so das richtige Medikament verschreiben.

Darüber hinaus wird Chitin in unserem Leben häufig verwendet: 1) Es hat die Funktion, Zellen zu reparieren, wirkt antioxidativ, beugt Zellalterung vor, fördert die Zellerneuerung usw. und wird häufig in der Schönheits- und Hautpflegeindustrie verwendet; 2) Es hat eine natürliche antibakterielle Wirkung und kann mit reiner Baumwolle und anderen Faserprodukten zur Herstellung von Babykleidung und Unterwäsche kombiniert werden. 3) Seine Produkte sind hart, ungiftig und weisen eine gute Biokompatibilität auf und können für medizinische Behandlungsmaterialien wie künstliche Lebern, künstliche Nieren, künstliche Knochen, künstliche Blutgefäße usw. verwendet werden. 4) Es wird auch an vielen Stellen in der Industrie verwendet, beispielsweise zur Reinigung von Leitungswasser und Abwasser, als Klebstoff für Farbstoffe und Textilien usw.

Quellen:

[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9E%98%E7%BF%85%E7%9B%AE

[2] Rivera J, Hosseini M et al. Härtungsmechanismen der Elytren des diabolischen Panzerkäfers. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-020-2813-8 (2020).

[3] Tang Bin, Zhang Lu, Xiong Xuping, Wang Huijuan, Wang Shigui. Forschungsfortschritte zum Trehalosestoffwechsel und seiner Regulierung der Chitinsynthese bei Insekten[J]. Chinesische Agrarwissenschaft, 2018, 51(04): 697-707.