Möglicher Beitrag zum Insektensterben Ozon bringt die Paarung von Fliegen durcheinander

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Plötzlich begatten Fliegenmännchen andere Männchen statt Weibchen. Dieses Phänomen beobachteten Forscher bei Experimenten mit erhöhten Ozonkonzentrationen. Der Luftschadstoff zerstört die Sexualpheromone der Fliegen und bringt so deren Paarungsversuche durcheinander. Womöglich trägt dieser Effekt mit zum weltweiten Insektensterben bei.

Die sexuelle Kommunikation von Insekten beruht zu einem erheblichen Teil auf Pheromonen, chemischen Lockstoffen, mit denen das eine Geschlecht das andere anlockt und zur Paarung motiviert. Sexualpheromone sind für Männchen und Weibchen einer Art unverwechselbar. Selbst kleinste Unterschiede, wie sie beispielsweise bei der Ausbildung neuer Arten zu beobachten sind, sorgen meist dafür, dass keine Paarung mehr stattfindet, denn Männchen und Weibchen finden nur durch den unverkennbaren Duft ihrer Art zueinander.

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Die meisten Insektenpheromone sind Duftmoleküle, die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen enthalten. Solche Doppelbindungen können leicht durch Ozon zerstört werden. „Wir wussten bereits, dass Umweltschadstoffe wie Ozon und Stickoxid Blütendüfte abbauen und Blüten dadurch für ihre Bestäuber weniger attraktiv machen. Da insbesondere Verbindungen mit Kohlenstoff-Doppelbindungen empfindlich auf den Abbau reagieren und fast alle Sexualpheromone von Insekten solche Doppelbindungen tragen, fragten wir uns, ob Luftverschmutzung auch Auswirkungen darauf hat, wie gut sich Insektenweibchen und -männchen für die Paarung finden und identifizieren können“, sagt Markus Knaden, der in der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie die Gruppe „Geruchsgesteuertes Verhalten“ leitet und ein Hauptautor der Studie ist.

Fliegen beschnüffeln mit höchster Sensitivität

Um die Auswirkungen von Ozon auf das Paarungsverhalten der Modellfliege Drosophila melanogaster zu untersuchen, entwickelten die Wissenschaftler zunächst ein Ozonexpositions-System für Fliegen, mit dem die leicht erhöhten Ozonwerte in der Luft nachgeahmt werden konnten, wie sie heute oft in Städten im Sommer gemessen werden. Dafür mussten die Forscher einen kontinuierlichen Luftstrom mit exakt definierten Ozonwerten erzeugen, was dadurch erschwert wurde, dass Ozon keine stabile chemische Verbindung ist und daher leicht zerfällt.

Eine weitere Schwierigkeit für die Laborversuche war, dass Fliegen selbst unter normalen Bedingungen oft nur sehr geringe Mengen an Pheromonen mit sich tragen. „Wir brauchten daher eine Technik, die es uns erlaubt, selbst winzige Mengen von Pheromonen auf einzelnen Fliegen zu messen, die vor den Messungen entweder Ozon ausgesetzt waren oder nicht“, sagt Erstautor Nanji Jiang „Dazu verwendeten wir eine so genannte thermische Desorptionseinheit, die an einen Gaschromatographen/Massenspektrometer gekoppelt ist und mit der wir die geringen Mengen von Düften messen konnten, die von einzelnen Fliegen abgegeben wurden.“

Fliegenmännchen im Ozon-Rausch

In den Experimenten wurden männliche Fliegen einer leicht erhöhten Ozonkonzentration ausgesetzt. Anschließend wurde gemessen, ob die Fliegen noch das Sexualpheromon abgaben. Wurden die Fliegen zwei Stunden lang Luft mit 100 ppb (0,00001 Prozent) Ozon ausgesetzt, verringerten sich die gemessenen Pheromonwerte gegenüber einer Kontrollgruppe, die nur Umgebungsluft ausgesetzt worden waren, signifikant. (Zum Vergleich: übers Jahr gemittelt lag die Ozonkonzentration vor städtischem Hintergrund zwischen 40 und 50 µg/m³ oder umgerechnet rund 20 bis 25 ppb; Quelle: Umweltbundesamt).

Neben Männchen der Modellfliege Drosophila melanogaster testeten die Forscher auch männliche Fliegen von acht verwandten Arten der Gattung Drosophila. In lediglich einer Art, Drosophila busckii, war die Abgabe der spezifischen Pheromone der Männchen nach Ozonexposition nicht beeinträchtigt, allerdings enthalten die Lockstoffe dieser Fliegenart auch keine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen und reagieren somit nicht so leicht auf Ozon.

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Wenn Männchen plötzlich andere Männchen attraktiv finden

Anschließend testeten die Forscher die Attraktivität von männlichen Fliegen auf ihre Artgenossen. Die Beobachtungen, die sie dabei machten, waren beunruhigend, was vor allem an der Rolle der jeweiligen Pheromone liegen dürfte. Diese werden bei Drosophila-Arten von den Männchen abgegeben und erhöhen ihre Attraktivität gegenüber den Weibchen. Gleichzeitig nutzen die Männchen den Duft, um Weibchen von anderen Männchen zu unterscheiden: Während ihr Pheromon Weibchen anlockt, stößt es andere Männchen ab. Bei der Paarung übertragen Männchen das Pheromon auf die Weibchen. Frisch verpaarte Weibchen, die nach dem Pheromon riechen, sind für andere Männchen deswegen eher unattraktiv.

Erhöhte Ozonkonzentration führten durch Zerstören des Sexualpheromons folglich nicht nur dazu, dass Weibchen weniger von Männchen angezogen wurden; vielmehr waren die Männchen, die einer erhöhten Ozonkonzentration ausgesetzt waren, plötzlich auch für ihre männlichen Artgenossen interessant. „Uns war klar, dass sich erhöhte Ozonwerte auf die Paarungssysteme von Insekten auswirken könnten, denn der Abbau von Kohlenstoffdoppelbindungen und damit von Pheromonen durch Oxidation ist chemisch keine große Sache“, sagt Erstautor Jiang. „Dennoch waren wir schockiert, dass bereits leicht erhöhte Ozonkonzentrationen so starke Auswirkungen auf das Verhalten der Fliegen hatten.“

Wer nur nach Äußerlichkeiten geht, bleibt von Ozon ungestört

Eigentlich wollten die Forscher sich zunächst auf die Interaktionen zwischen Männchen und Weibchen konzentrieren. Doch ihre Beobachtungen lenkten sie schnell in eine andere Richtung. Denn sie stellten fest, dass die Männchen nach kurzer Ozonexposition anfingen sich gegenseitig heftig zu umwerben. „Das konnten wir uns zwar erklären, denn ganz offensichtlich konnten sie ozonisierte Männchen nicht mehr von Weibchen unterscheiden. Allerdings hatten wir uns darüber vorher keine Gedanken gemacht. Daher hat uns das Verhalten der ozonbelasteten Männchen, die sich in langen Balzketten aneinanderreihten, ziemlich verblüfft“, sagt Hauptautor Knaden.

Das Forschungsteam beobachtete die Auswirkungen von hohen Ozonwerten in der Luft auch auf das Paarungsverhalten von den acht anderen Drosophila-Arten. Selbst Männchen der Art Drosophila busckii waren nach Ozonexposition bei der Paarung weniger erfolgreich, obwohl Ozon das bei ihnen bekannte Pheromon nicht verändert. Möglicherweise gibt es andere, bislang noch nicht identifizierte ozonsensible chemische Verbindungen, die eine zusätzliche Rolle beim Paarungsverhalten dieser Art spielen.

Bei acht der neun untersuchten Arten stellte das Forschungsteam ein ungewöhnliches Balzverhalten von Männchen gegenüber Ozon exponierten anderen Männchen fest. Hingegen wurde die sexuelle Kommunikation einer Fliegenart, der Kirschessigfliege D. suzukii, bei der bekanntermaßen Pheromone fehlen und die sich bei der Paarung auf visuelle Signale verlässt, von erhöhten Ozonwerten überhaupt nicht beeinflusst.

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Luftverschmutzung als Beitrag zum weltweiten Insektensterben

Die meisten Insektenpheromone enthalten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Daher ist davon auszugehen, dass Ozon in vielen Insektenarten die sexuelle Kommunikation stören kann. „Insekten und ihre Pheromone haben sich über Millionen von Jahren entwickelt. Hingegen hat sich die Konzentration von Schadstoffen in der Luft erst seit der Industrialisierung drastisch erhöht“, sagt Bill Hansson, Leiter der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie und Mitbegründer des Max Planck Center next Generation Insect Chemical Ecology (nGICE), das sich der Erforschung der Folgen von klimatischen Veränderungen und Luftverschmutzung auf Insekten und deren chemischer Kommunikation widmet. „Es ist unwahrscheinlich, dass sich das im Laufe der Evolution entwickelte Kommunikationssystem von Insekten innerhalb von kurzer Zeit an neue Bedingungen anpassen kann, wenn Pheromone plötzlich nicht mehr da sind. Die einzige Lösung für dieses Dilemma ist die sofortige Reduzierung von Schadstoffen in der Atmosphäre“, meint der Forscher.

Die Wissenschaftler in Jena möchten die Auswirkungen von Ozon auf ein breiteres Spektrum von Insekten untersuchen, einschließlich Nachtfaltern, die ihre Paarungspartnerinnen normalerweise über größere Strecken hinweg über ihren Duft aufspüren. Sexualpheromone sind für Insekten auch entscheidende Hinweise, um zwischen Artgenossen und nahe verwandten Arten unterscheiden zu können. „Wir untersuchen derzeit, ob erhöhte Ozonwerte zu erhöhten Hybridisierungsraten führen, wenn eng verwandte Fliegenarten ihren Lebensraum teilen. Schließlich ist die chemische Kommunikation bei Insekten nicht auf das Paarungsverhalten beschränkt“ schildert Studienhauptautor Knaden. „Alle sozialen Insekten wie Bienen, Ameisen und Wespen verwenden chemische Signale, um die Mitglieder ihrer Kolonie zu identifizieren. Wir untersuchen derzeit, ob die Sozialstruktur innerhalb von Ameisenkolonien beeinträchtigt wird, wenn die Ameisen von ihren Futtersuchgängen zurückkehren, bei denen sie erhöhten Schadstoffkonzentrationen ausgesetzt waren. Man möchte sich gar nicht vorstellen, dass plötzlich soziale Strukturen in Ameisenvölkern oder Bienenstöcken zusammenbrechen, weil die Pheromon-Kommunikation nicht mehr funktioniert“, sorgt sich der Forscher, der auch das Verhalten von Wüstenameisen untersucht.

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Weitreichende Folgen hoher Ozonwerte möglich

Hohe Ozonwerte sind nicht nur für die menschliche Gesundheit schädlich. Die derzeitige Lebensweise der Industrienationen ist mit hohen Kosten für Umwelt und Klima verbunden; viele indirekte Auswirkungen sind noch nicht einmal bekannt. Die aktuelle Studie liefert eine weitere Erklärung dafür, dass Insektenpopulationen weltweit dramatisch zurückgehen, zusätzlich zu den bekannten Gründen: der Nutzung von Insektiziden und dem Wegfall vieler Habitate.

Wird die chemische Kommunikation durch Schadstoffe in der Luft gestört, können sich Insekten möglicherweise nicht mehr in ausreichendem Maße fortpflanzen. Dies könnte auch bestäubende Insekten wie Bienen und Schmetterlinge betreffen. Die Tatsache, dass 80 Prozent unserer Nutzpflanzen von Insekten bestäubt werden müssen, macht deutlich, welches Ausmaß dieses Problem in der Zukunft annehmen kann, sollte es nicht gelingen, die Luftverschmutzung drastisch zu senken. (clu)

Originalpublikation: Jiang, NJ., Chang, H., Weißflog, J. et al. Ozone exposure disrupts insect sexual communication. Nat Commun 14, 1186 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-36534-9

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