Insekten-Pheromon untersucht Was Heuschrecken vom Kannibalismus abhält

Wenn Heuschrecken schwärmen, ist das auch für die Tiere selbst ein Akt der Verzweiflung. Denn getrieben durch Nahrungsmangel, verfallen die Insekten verstärkt in Kannibalismus. Ein Pheromon schützt sie dabei zumindest teilweise vor Angriffen der eigenen Artgenossen, wie eine Studie von Max-Planck-Forschern nun zeigt.

Riesige Schwärme von Wanderheuschrecken sind vergleichbar zerstörerisch wie andere große Naturkatastrophen und bedrohen vor allem in Afrika und Asien die Nahrungsmittelversorgung von Millionen von Menschen. Als achte der zehn biblischen Plagen wird bereits im Buch Mose des Alten Testaments beschrieben, wie Heuschreckenschwärme den Himmel verfinsterten und alles auffraßen, was auf den Feldern und an den Bäumen wuchs.

Böswillig sind die Insekten jedoch keineswegs. Vielmehr kämpfen sie mit ihrem Schwarmverhalten um ihr eigenes Überleben: Wissenschaftler vermuten, dass Kannibalismus unter den Heuschrecken dazu beiträgt, dass die Tiere Schwärme bilden und ständig weiterziehen, weil sie buchstäblich auf der Flucht vor den eigenen Artgenossen sind. „Wir fragten uns, wie sich diese Insekten innerhalb der riesigen Schwärme gegenseitig in ihrem Verhalten beeinflussen, und ob der Geruchssinn dabei eine Rolle spielt“, sagt Studienleiter Bill Hansson, Direktor der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie.

Mächtiger Duftstoffe steuert Schwarmverhalten

Wanderheuschrecken durchlaufen unterschiedliche Lebensphasen vor: In der solitären Phase leben die Insekten einzeln und ortstreu, während sie in der gregären Phase das typische Schwarmverhalten zeigen, passend zu ihrer Bezeichnung als Wanderheuschrecken. „In den meisten Fällen befinden sich Heuschrecken in der solitären Phase, in der sie den physischen Kontakt mit Artgenossen meiden und vergleichsweise wenig Nahrung zu sich nehmen“, erläutert der Erstautor der Studie Hetan Chang. Nimmt die Populationsdichte aufgrund von Regenfällen und ausreichend Nahrung zu, verändern Heuschrecken innerhalb weniger Stunden ihr Verhalten, sie können einander riechen, sehen und berühren, wie der Wissenschaftler erklärt. Diese drei Arten der Stimulation erhöhen laut Chang den Serotonin- und Dopaminspiegel im Heuschreckenhirn. „Dies führt dazu, dass aus den solitären Heuschrecken aggressive schwarmbildende Tiere werden, die sehr aktiv sind und einen großen Appetit haben. Außerdem setzen sie Aggregationspheromone frei, was schließlich zu den gefürchteten Schwärmen führt und die landwirtschaftliche Produktion bedroht. Nur in dieser Phase kommt es zu Kannibalismus.“

Biologische Heuschrecken-Abwehr

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Verhaltensexperimente mit der Europäischen Wanderheuschrecke Locusta migratoria zeigten, dass die Kannibalismusrate zunimmt, je mehr schwarmbildende Tiere zusammen in einem Käfig gehalten werden. Es gibt also einen direkten Zusammenhang zwischen Populationsdichte und kannibalistischem Verhalten. Um herauszufinden, ob Heuschrecken in dieser Phase besondere Düfte abgeben, die in der solitären Phase nicht produziert werden, analysierte das Forschungsteam alle Duftstoffe, die von Heuschrecken im Jugendstadium abgegeben werden, und glich sie ab. Von den 17 Düften, die nur in der gregären Phase gebildet wurden, zeigte sich in Verhaltenstests, dass nur Phenylacetonitril als Duftsignal auf andere Heuschrecken abschreckend wirkte.

Um die Abwehrfunktion des Duftstoffs Phenylacetonitril zu bestätigen, nutzten die Wissenschaftler genetisch modifizierte Heuschrecken, die die Verbindung nicht mehr produzieren können. „Wir zeigten, dass bei zunehmender Populationsdichte nicht nur das Ausmaß des Kannibalismus zunimmt, sondern dass die Tiere parallel dazu auch mehr Phenylacetonitril produzieren. Mittels Genom-Editierung haben wir ein Enzym ausgeschaltet, das für die Produktion dieser Verbindung verantwortlich ist. Der Kannibalismus wird noch einmal deutlich gesteigert, wenn die Tiere die Verbindung nicht mehr produzieren können“, sagt Erstautor Chang.

Ein Pheromon, das Kannibalismus steuert

Die größte Herausforderung bestand darin, den Geruchsrezeptor zu finden, der Phenylacetonitril erkennt. Da Heuschrecken mehr als 140 Geruchsrezeptor-Gene haben, musste das Forschungsteam so viele Gene wie möglich klonen und eines nach dem anderen testen. Tests an 49 verschiedenen Geruchsrezeptoren unter Verwendung von mehr als 200 relevanten Düften führten schließlich auf die Spur des Duftrezeptors OR70a als einen hochempfindlichen und spezifischen Detektor für Phenylacetonitril.

Verhaltensexperimente mit genetisch veränderten Heuschrecken, deren OR70a-Rezeptor nicht mehr funktioniert, wiesen wiederum eine stark erhöhte Kannibalismusrate auf, was darauf zurückzuführen ist, dass das Kannibalismus-Stoppsignal von den Heuschrecken ohne den entsprechenden Rezeptor nicht mehr wahrgenommen werden kann.

Ein Pheromon, das Kannibalismus steuert, ist eine absolute Neuentdeckung. Da Kannibalismus einen großen Einfluss auf die Schwarmdynamik von Heuschrecken hat, ergeben sich aus dem grundlegenden Verständnis der Populationsökologie dieser Tiere, insbesondere der Wirkung von Phenylacetonitril, neue Möglichkeiten, die Ausbreitung von Heuschrecken einzudämmen. „Wenn man die Produktion von Phenylacetonitril oder die Funktion des Rezeptors hemmt, könnte man die Heuschrecken dazu bringen, sich kannibalistischer zu verhalten und sich auf diese Weise möglicherweise selbst zu bekämpfen“, meint Studienleiter Hansson.

Originalpublikation: Chang, H., Cassau, S., Krieger, J., Guo, X., Knaden, M., Kang, L., Hansson, B. S.: A chemical defense deters cannibalism in migratory locusts, Science, 4 May 2023, Vol 380, Issue 6644, pp. 537-543; DOI: 10.1126/science.ade6155

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