Umweltgifte und ihre Auswirkungen auf Ameisen Wenn Luftverschmutzung den Freund zum Feind macht

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Ameisen sind klein, aber sie sind Viele: Die Gesamtbiomasse aller schätzungsweise 30.000 verschiedenen Ameisenarten der Welt entspricht etwa der Gesamtbiomasse aller Vögel und Säugetiere zusammen. Die kleinen Insekten vollbringen wichtige Ökosystemleistungen – doch sie werden zunehmend belastet durch Umweltgifte, die ihre soziale Struktur bedrohen, aber auch Ihre Gesundheit und die ihrer Nachkommen. Und vermutlich nicht nur ihre.

Die Menschengemachte Verschmutzung der Umwelt schreitet fort und mit ihr deren Auswirkungen auf die Ökosysteme dieser Welt. Umweltgifte können nicht nur die Gesundheit der in ihr lebenden Arten und die ihrer Nachkommen bedrohen, sondern offenbar auch auf perfide Art und Weise ihre soziale Struktur. Das zeigen zwei aktuelle Studien, die die dramatischen Auswirkungen menschlicher Umweltverschmutzung auf Ameisen jüngst untersucht haben. Nun mag manch einer, der solche Nachrichten nicht hören mag sagen: nun ja – Ameisen. Doch Ameisen sind zwar klein, aber es sind Viele. Und sie erfüllen wichtige Ökosystemfunktionen. Wie nahezu immer in Ökosystemen gilt zudem auch hier: Gerät ein Rädchen aus dem Takt, hat dies Auswirkungen. Auch aufs große Ganze. Zudem könnten sie an Ameisen gefundenen Effekte auch für andere Insektenarten gelten und eine Rolle beim globalen fatalen Insektensterben spielen.

Doch was genau gefährdet die Ameisen?

Ozon zerstört koloniespezifische Duftsignale

Ein Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie hat kürzlich in einer neuen Studie aufgezeigt, dass Ameisen, die aus von Luftverschmutzung betroffenen Lebensräumen zurückkehren, bei ihrem Wiedereintritt in die Kolonie angegriffen werden. Die Ursache: Luftverschmutzung, insbesondere Ozon, verändert das koloniespezifische Duftprofil der Tiere. In Experimenten mit sechs Ameisenarten konnten die Wissenschaftler bei fünf Arten nachweisen, dass Ameisen, die Ozon ausgesetzt waren, von ihren Nestgenossinnen nicht mehr erkannt wurden – und stattdessen als Feinde attackiert wurden.

Verantwortlich dafür sind Alkene: organische Verbindungen mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen, die einen kleinen aber entscheidenden Bestandteil des Duftprofils bilden. Ozon reagiert gezielt mit diesen Doppelbindungen und zerstört sie. Selbst winzige Veränderungen im Duftsignal genügen, um die soziale Identität zu verfälschen – ein dramatisches Beispiel dafür, wie menschliche Umweltverschmutzung soziale Systeme in der Natur stören kann.

Die Arbeitsgruppe Geruchsgesteuertes Verhalten von Markus Knaden am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie beschäftigt sich schon seit längerem mit den Auswirkungen von Ozon auf die chemische Kommunikation von Insekten. So konnte das Forschungsteam zeigen, dass erhöhte Ozonwerte das Paarungssignal bei Fruchtfliegen verändern, weil die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen in den Sexualpheromonen der Insekten durch Ozon aufgebrochen werden. Nachdem männliche Fliegen Ozon ausgesetzt waren, konnten sie Weibchen nicht mehr von anderen Männchen unterscheiden (siehe Pressemeldung vom 14.03.2023 Luftverschmutzung beeinträchtigt die Paarung von Fliegen). Außerdem veränderte Ozon Paarungssignale so, dass die Paarungsgrenze zwischen verschiedenen Fliegenarten aufgehoben wurde, was zum Auftreten fortpflanzungsunfähiger Hybriden führte (siehe Pressemeldung vom 11.04.2024 Umweltgift Ozon hebt Paarungsgrenze zwischen Fliegenarten auf).

Diese Erkenntnisse führten Markus Knaden und sein Team dazu, auch die Auswirkungen von Ozon auf das Zusammenleben sozialer Insekten wie Ameisen zu untersuchen, denn die Nesterkennung in der Kolonie beruht ebenfalls auf chemischen Signalen beruht.

Die Erkennung von Nestgenossinnen: Ein „Handschlag“ aus Molekülen

Die Erkennung von Nestgenossinnen basiert in der Regel auf einer artspezifischen Mischung aus Kohlenstoffwasserstoffverbindungen, die Ameisen in ihren Drüsen produzieren. Diese Mischung besteht hauptsächlich aus stabilen Alkanen, aber auch aus Alkenen – Verbindungen mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen, die oxidiert und abgebaut werden können. Obwohl Alkene nur in sehr geringen Mengen vorkommen, sind sie entscheidend für die koloniespezifische Duftsignatur. Ameisen lernen gleich nach dem Schlüpfen die besondere Duftmischung ihrer Kolonie kennen. Später, wenn sie mit anderen Ameisen in Kontakt kommen, vergleichen sie den Duft dieser Ameisen mit dem bekannten Duft ihrer eigenen Kolonie. Erkennen sie den Duft wieder, werden die anderen Ameisen als Nestgenossinnen angesehen und freundlich behandelt. Andernfalls kommt es in der Regel zu Aggressionen gegenüber Ameisen, deren Duftprofil nicht mit dem der eigenen Kolonie übereinstimmt. „Wir wollten wissen, ob erhöhte Ozonkonzentrationen eine Veränderung des Duftprofils und damit Aggressionen gegenüber Ameisen hervorrufen würden. Die entscheidende Frage für uns war: Kann die ausbalancierte Sozialstruktur von Ameisenkolonien durch Luftverschmutzung aus dem Gleichgewicht gebracht werden?“, sagt Erstautor Nan-Ji Jiang.

Für die Experimente setzten die Forschenden Ameisen von sechs verschiedenen Arten einer Ozonkonzentration von 100 ppb (parts per billion) aus, einer Belastung, wie sie im Sommer häufig in belasteten Regionen gemessen wird. Nach 20-minütiger Ozonexposition wurden die Ameisen in ihre Kolonie zurückgebracht. Bei fünf der untersuchten Arten wurden ozonbelastete Ameisen mit Drohungen und Aggressionen empfangen, obwohl sie derselben Kolonie angehörten. „Uns interessierte, ob dies tatsächlich mit einer veränderten Menge an Alkenen auf der Körperoberfläche der Ameisen einhergeht. Dies war schwierig zu messen, da auch bei unbelasteten Ameisen die Menge an Alkenen extrem niedrig ist. Mit thermodesorbierender Gaschromatographie konnten wir jedoch die Menge dieser Verbindungen sogar an einzelnen Ameisen messen,“ erläutert Markus Knaden.

Alkene: ein sehr geringer, aber entscheidender Anteil an Kohlenwasserstoffen auf Ameisen – mit dramatischen Folgen bei Schadstoffbelastung

Die Duftmischung der Kolonie besteht größtenteils aus stabilen Alkanen, die durch Ozon nicht oxidiert werden. Im Vergleich dazu machen Alkene nur einen Bruchteil der Verbindungen in der Duftsignatur von Ameisen aus. „Wir hatten damit gerechnet, dass die Ozonexposition die Erkennung von Nestgenossinnen beeinflusst, da uns bekannt war, dass Ameisen zumindest geringe Mengen leicht abbaubarer Alkene auf ihrer Außenhaut tragen. Die dramatische Verhaltensänderung nach Ozonbelastung hat uns jedoch überrascht. Offenbar sind Alkene trotz ihrer geringen Menge äußerst wichtig für den spezifischen Duft der Kolonie,“ sagt Markus Knaden.

Klonale Räuberameisen vernachlässigen die Brutpflege nach Ozonbelastung

In nur einer untersuchten Art – der klonalen Räuberameise Ooceraea biroi - wurden keine Aggressionen gegenüber Nestgenossinnen nach Ozonbelastung beobachtet. Dies könnte auf die besondere Biologie dieser Art zurückzuführen sein. Alle Individuen vermehren sich klonal, eine Königin gibt es nicht und das Aggressionsniveau zwischen Individuen verschiedener Kolonien ist generell gering.

Da Ozon bei Ooceraea biroi keine Aggressionen zwischen Nestgenossinnen auslöste, bot sich die Möglichkeit in Zusammenarbeit mit der Lise-Meitner-Forschungsgruppe Sozialverhalten unter der Leitung von Yuko Ulrich, andere potenzielle langfristige schädliche Auswirkungen zu untersuchen. Verhaltensbeobachtungen ergaben, dass erwachsene Ameisen in ozonbelasteten Kolonien einen größeren Abstand zu den Larven hielten als in ozonfreier Umgebungsluft. Außerdem starben viele Larven. Da Ozon selbst als direkte Ursache für den Tod der Larven weitgehend ausgeschlossen werden konnte, gehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler davon aus, dass die Vernachlässigung der Brutpflege und der Tod der Larven auf eine gestörte chemische Kommunikation zwischen den erwachsenen Ameisen und den Larven zurückzuführen sind.

Umweltgifte bedrohen die soziale Struktur vieler Insektenarten

Während das globale Insektensterben vor allem mit dem Einsatz von Pestiziden und dem Verlust von Lebensräumen in Verbindung gebracht wird, werden in dieser Studie Luftschadstoffe als mögliche Verursacher diskutiert. Die Gesamtbiomasse aller schätzungsweise 30.000 verschiedenen Ameisenarten entspricht etwa der Gesamtbiomasse aller Vögel und Säugetiere zusammen. Ameisen erfüllen wichtige Ökosystemleistungen, wie die Verbreitung von Samen und die Bekämpfung von Schädlingen. Auch andere soziale Insekten, wie Bienen, auf deren Bestäubung ein Großteil unserer Nutzpflanzen angewiesen ist, könnten durch erhöhte Schadstoffwerte in ähnlicher Weise beeinträchtigt werden könnte. „Oxidierende Schadstoffe wie Ozon und Stickoxide werden oft wegen ihrer schädlichen Auswirkungen auf den Menschen thematisiert. Wir sollten uns jedoch auch darüber bewusst sein, dass diese vom Menschen verursachten Schadstoffe auch unsere Ökosysteme erheblich schädigen können,“ sagt Bill Hansson, einer der Hauptautoren der Studie.

Die Ergebnisse erschienen kürzlich in der Fachjournal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America“

Titandioxid und Glyphosat: Eine heikle Mischung für Ameisen

Auch Titandioxid, das beispielsweise in Kosmetika enthalten ist, gelangt in Form von Nanopartikeln immer häufiger in die Umwelt. Auch diese Substanz könnte also Insekten gefährden. Nehmen Ameisen den Stoff zusätzlich in Kombination mit dem Pestizid Glyphosat auf, stört das die Entwicklung ihrer Nachkommen. Auf die negativen Folgen des giftigen Cocktails machten Forschende der Universität Graz in einer aktuellen Studie aufmerksam.

„Vor allem in den vergangenen Jahren sind große Mengen an Titandioxid (TiO₂) und Glyphosat in die Umwelt gelangt“, schildert Biologie-Doktorandin Danae Nyckees. Insbesondere die chemische Verbindung TiO₂, die in Sonnencremes, Lotionen und Zahnpasta, aber auch in Lacken enthalten ist, bahnt sich seinen Weg übers Abwasser sowie nicht richtig entsorgten Müll als Nanopartikel in die Natur. Wie sich der Schadstoff auf Insekten auswirkt, hat ein Team aus Biolog:innen und Chemiker:innen der Uni Graz am Beispiel der Ameisen-Art Cardiocondyla Obscurior untersucht.

Die Tiere, die sowohl in den Tropen als auch in Europa anzutreffen sind, nehmen winzige Teilchen der Substanz über die Nahrung auf. „Sie beeinflussen Mikroorganismen im Darm negativ“, bestätigt Dalial Freitak, Leiterin der Forschungsgruppe Insektengesundheit an der Uni Graz. Titandioxid beeinträchtigt auch die Anzahl des Nachwuchses und kann möglicherweise Effekte des Herbizids Glyphosat verstärken, ergänzt Danae Nyckees.

„Schadstoffe müssen nicht immer gleich die Sterblichkeitsrate erhöhen“, verweisen Freitak und Nyckees auf die Langzeitfolgen von Umweltgiften. Und nicht nur dazu seien weitere Untersuchungen notwendig. „Wir wissen viel zu wenig über die Wechselwirkungen schädlicher Stoffe“, betonen die beiden Wissenschaftlerinnen.

Die Studie wurde in enger Kooperation mit Reinhard Sittinger sowie Raquel Gonzalez de Vega und David Clases vom Institut für Chemie der Uni Graz durchgeführt und kürzlich im Fachjournal „Environmental Science and Pollution Research“ veröffentlicht.

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