Schmelzverhalten von Ameisenwachs Beschichtete Ameisen – Funktion von Wachs auf Insektenhaut

Nicht fest und nicht flüssig – Ameisen sind mit einer wachsartigen Schicht überzogen, die wichtige Funktionen für ihr Überleben sichert. Welche besonderen Eigenschaften die Ameisenbeschichtung aufweist, haben nun Biologen herausgefunden.

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Mainz – Ameisen sind als soziale Insekten in besonderem Maße darauf angewiesen, möglichst gut zu kommunizieren, um Feinde abzuwehren und Nestgenossen zu erkennen. Außerdem müssen sie sich vor Austrocknung schützen. Für beides – Kommunikation und Austrocknungsschutz – ist der Insektenkörper von einer Art Wachsschicht bedeckt. Zum Schutz vor Trockenheit sollte die Wachsschicht eher fest sein. Aber um andere Ameisen zu erkennen, darf sie nicht zu fest sein, damit die Artgenossen die enthaltenen chemischen Signale noch „riechen“ können.

Spagat zwischen Kommunikation und Austrocknungsschutz

Die Schicht aus kutikulären Kohlenwasserstoffen (CHCs), die die Körperoberfläche von nahezu allen Insekten wie eine Außenhaut überzieht, ist bereits relativ gut erforscht. Bekannt ist etwa, dass die CHCs aus mehreren Dutzend bis über hundert verschiedenen Verbindungen bestehen und dass jede Ameisenart ihre eigene, unverwechselbare Mischung besitzt. Die chemische Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe ist ausschlaggebend für ihren Informationsgehalt, beeinflusst aber auch, wie gut die Schicht vor Austrocknung schützt.

Wie dieser Spagat zwischen Kommunikation und Austrocknungsschutz aber gelingt, das war bislang nur wenig erforscht. Ein Biologenteam um Dr. Florian Menzel von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat nun die besonderen physikalischen Eigenschaften der die Schicht aus kutikulären Kohlenwasserstoffen genauer untersucht. „Zu unserer Überraschung hat die Schicht keinen festen Schmelzpunkt, sondern einen großen Schmelzbereich. Sie fängt bei etwa minus 45 °C an zu schmelzen und ist erst bei plus 30 bis 40 °C komplett flüssig“, sagt der Forscher. „Wir finden also ein Gemisch aus flüssigen und festen Bestandteilen vor, ähnlich wie Eiswürfel in einem Glas Wasser oder flüssiger Honig mit Kristalleinschlüssen.“

Zähflüssig wie Motorenöl

Die Ameisen-Beschichtung zu analysieren, war herausfordernd. Denn die Menge an Kohlenwasserstoffen, die die Forscher vom Panzer der Insekten extrahierten, war sehr klein. Um dennoch die Fließeigenschaften zu erfassen, nutzte das Team ein spezielles mikrorheologisches Verfahren, das die Physikerin Dr. Bérengère Abou vom Centre national de la recherche scientifique (CNRS) bereits 2010 in Paris entwickelt hatte. Dabei trägt man die Probensubstanz zunächst auf eine Schicht von Melamin-Kugeln auf. Diese messen lediglich 2 µm im Durchmesser, sodass sie sich in einem flüssigen Medium – wie den aufgetragenen Kohlenwasserstoffen – aufgrund der Brownschen Molekularbewegung hin und her bewegen. Ihre Beweglichkeit hängt aber von dem aufgetragenen Medium ab, sodass sich über die Bewegung der Melamin-Kugeln letztlich die Viskosität der Probe berechnen lässt. Schon 100 Pikoliter Probenvolumen reichen für diese Methode aus.

Damit ließ sich die Viskosität der Wachsschicht von den Ameisen bestimmen: Sie entspricht in etwa der von Motorenöl. Obwohl komplett verschiedene Substanzgemische untersucht wurden – CHCs von elf verschiedenen Ameisenarten –, war die Viskosität bei allen Arten sehr ähnlich. Das Forscherteam vermutet, dass womöglich ein bestimmtes Maß an Zähflüssigkeit beziehungsweise Flüssigkeit notwendig ist, um sicherzustellen, dass noch Kommunikationssignale ausgetauscht werden können.

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Flüssig-Fest-Gemisch mit großem Schmelzbereich

Das Schmelzverhalten der Kohlenwasserstoffe haben die Forscher mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie am Max-Planck-Institut für Polymerforschung ermittelt. Bisher gingen viele Studien davon aus, dass die CHC-Schicht bei normaler Umgebungstemperatur komplett fest ist, wie JGU-Forscher Menzel sagt. Er fand jedoch heraus, dass die Kohlenwasserstoffe in dem gesamten Schmelzbereich zwischen minus 45 und bis zu plus 40 Grad Celsius als Mischung aus flüssigen und festen Bestandteilen vorliegen.

Menzel zufolge ist dieses Flüssig-Fest-Gemisch wichtig, um beide Funktionen zu gewährleisten: „Genaugenommen besteht wahrscheinlich ein Konflikt zwischen den Funktionen Austrocknungsschutz und Kommunikation, was die Evolution der CHCs besonders spannend macht.“

Studie zu Akklimatisierung geplant

Das Schmelzverhalten der CHCs, das direkt von der chemischen Zusammensetzung abhängt, wäre demnach eine der wichtigsten Eigenschaften für die biologische Funktionalität der Wachsschicht: Es bestimmt, wie gut die Wachsschicht bei verschiedenen Temperaturen vor Austrocknung schützt – und beeinflusst gleichzeitig den Austausch von Signalen. Dies gilt nicht nur für die untersuchten Ameisen, sondern höchstwahrscheinlich für fast alle Insekten.

Als nächstes möchte Menzel mit seinem Team der Frage nachgehen, wie sich Viskosität und Schmelzverhalten von Kohlenwasserstoffen ändern, wenn die Ameisenarten über einen längeren Zeitraum von etwa drei Wochen wechselnden Temperaturen ausgesetzt werden. Eine schnelle Akklimatisierung kann überlebenswichtig für ein Insekt sein, wenn durch ändernde Temperaturen auch die Austrocknungsgefahr schwankt.

Originalpublikation: F. Menzel et al.: Communication versus waterproofing: the physics of insect cuticular hydrocarbons, Journal of Experimental Biology 222, 4. Dezember 2019; DOI:10.1242/jeb.210807

Weiterführende Literatur: Bérengère Abou, Cyprien Gay, Bastien Laurent, Olivier Cardoso, Dagmar Voigt, Henrik Peisker and Stanislav Gorb:Extensive collection of femtolitre pad secretion droplets in the beetle Leptinotarsa decemlineata allows nanolitre microrheology, J. R. Soc. Interface, 28 April 2010, Volume 7, Issue 53; DOI:10.1098/rsif.2010.0075

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