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Konflikte und Kooperation in Insektenstaaten



In einer Welt, in der nach dem britischen Naturforscher Charles Darwin (1809 bis 1882) nur diejenigen Organismen erfolgreich sind, die die meisten und überlebensfähigsten Nachkommen produzieren, scheint für Altruisten wenig Platz zu sein. Dennoch finden sich immer wieder Individuen, die ihre eigene Fortpflanzung ganz oder teilweise aufgeben, um anderen bei deren Fortpflanzung zu helfen. Stark ausgeprägt ist dieses Verhalten bei einigen Vögeln und Säugern, vor allem aber bei Insekten, die in sozialen Staaten organisiert sind. Bei Bienen, Wespen und Ameisen versorgen Arbeiterinnen die Brut der Königin, sie verteidigen das Nest und tragen Nahrung ein. Da sie selbst meist keine Eier legen, scheinen sie sich für die Königin und deren Nachwuchs aufzuopfern.

Wie kann sich ein solches Verhalten in der natürlichen Selektion durchsetzen? Die 1964 von dem britischen Biologen William D. Hamilton entwickelte Verwandtenselektionstheorie erklärt dieses Phänomen durch die enge genetische Verwandtschaft zwischen den Arbeiterinnen und den Nachkommen der Königin. Arbeiterinnen geben Kopien ihrer Gene nicht direkt über eigene Nachkommen in die nächste Generation weiter, sondern indirekt über nah verwandte Individuen. Gene, die für den Altruismus der Arbeiterinnen verantwortlich sind, bleiben somit erhalten und können sich ausbreiten.

Eine enge Verwandtschaft zwischen den Nestgenossinnen ist daher Voraussetzung für das dauerhafte Funktionieren eines Insektenstaates. Eine zu enge Verwandtschaft birgt aber auch eine Reihe von Risiken: Parasiten und Krankheitserreger können sich in einer genetisch homogenen Gruppe leichter ausbreiten als in einer, die aus verschiedenen genetischen Linien besteht, ähnlich wie die Monokulturen unserer Nutzpflanzen oft anfälliger für Krankheiten sind als genetisch heterogene Wildpopulationen.

Wie sieht angesichts dieser entgegengesetzten Selektionsdrücke die genetische Struktur von Insektenstaaten tatsächlich aus? Wie wird sie aufrechterhalten, und durch welche Umweltparameter wird sie beeinflußt? Biologen und Chemiker von acht europäischen Universitäten (Aarhus, Erlangen, Florenz, Keele, Sheffield, Uppsala, Würzburg und Zürich) haben sich im TMR-Netzwerk (Training and Mobility of Researchers) "Social Evolution: an integrated study on the effects of kinship, communication, productivity and disease" zusammengeschlossen, um diese Fragen zu beantworten. Die Vorhersagen soziobiologischer Modelle zur Evolution und Struktur von Tiergruppen werden dabei exemplarisch an Bienen, Hornissen, Waldameisen und anderen sozialen Insekten überprüft. Aus der Fülle der Projekte, die in enger Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Arbeitsgruppen durchgeführt werden, wollen wir zwei Beispiele näher erläutern.

Forschergruppen am Biozentrum der Universität Würzburg und dem Zoologischen Institut I der Universität Erlangen-Nürnberg untersuchen, wie sich Interessenskonflikte zwischen Einzelindividuen in Gruppen äußern und wie sie gelöst werden. Ideales Versuchstier für diese Studien sind Schmalbrustameisen der Gattung Leptothorax und Arten der verwandten Gattung Cardiocondyla. Ihre Staaten bestehen meist nur aus einigen Dutzend Individuen und lassen sich leicht in ein Labor überführen, wo die Vorgänge im Nest mit Videorecordern und Computern analysiert werden können.


Agressive Ameisen



Die Königinnen einiger Leptothorax-Arten attackieren sich innerhalb eines Staates mit Antennenschlägen, Bissen und Stechversuchen. Sie legen damit eine soziale Rangordnung fest, in der nur die ranghöchste Königin Eier legt. Bei Cardiocondyla hingegen tolerieren sich die Königinnen und legen Eier, ohne daß es zwischen ihnen zu Aggressionen kommt. Hier kämpfen jedoch die Männchen: Mit ihren kräftigen Kiefern zerbeißen sie die noch weiche Körperdecke ihrer frisch geschlüpften Rivalen. Bereits ausgewachsene Konkurrenten versuchen sie mit Sekreten zu beschmieren, die wiederum Attacken von Arbeiterinnen auslösen. Erfolgreiche Männchen sichern sich somit über mehrere Wochen das alleinige Recht der Paarung mit den im Nest aufwachsenden Jungköniginnen.

Im multidisziplinären Ansatz wird es möglich zu bestimmen, wie sich diese Konflikte auf das Zusammenleben im Nest auswirken und inwieweit sie von der genetischen Koloniestruktur und von Umweltfaktoren beeinflußt werden, wie dies evolutionsbiologische Theorien postulieren. In Kooperation mit Populationsgenetikern der Universität Uppsala werden hierzu Verwandtschaftsanalysen mit hochvariablen, genetischen Markern durchgeführt. Gemeinsam mit Chemikern und Biologen der Universitäten in Keele und Florenz werden die Substanzen analysiert, die während der Kämpfe zwischen Cardiocondyla-Männchen eingesetzt werden.

Genauso interessieren uns die Zusammenhänge zwischen der genetischen Gruppenstruktur und der Anfälligkeit gegen Krankheitserreger. Diesen Fragen gehen die Wissenschaftler des Instituts für experimentelle Ökologie der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich nach, indem sie Hummelvölker untersuchen. Hummeln leben im Vergleich zu Honigbienen und Ameisen in eher einfachen sozialen Strukturen. Ihre Staaten existieren nur für ein Jahr und die morphologischen Unterschiede zwischen Königinnen und Arbeiterinnen sind gering. Als Bestäuber vieler Wildblumen sind Hummeln ein zentrales Element vieler Ökosysteme, und darüber hinaus spielen sie eine wichtige Rolle als Bestäuber von Nutzpflanzen in Gewächshäusern. Forschungen zu Hummelkrankheiten und dazu, wie sich Hummeln vor Infektionen schützen, sind daher unmittelbar auch von ökonomischer Bedeutung.


Schutz vor Krankheiten



Im Labor überstehen künstlich aus mehreren Verwandtschaftslinien gemischte Staaten eine Infektion besser als homogene Staaten. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Uppsala stellten wir allerdings fest, daß die meisten natürlichen Hummelstaaten aus eng verwandten Individuen bestehen. Alle Arbeiterinnen stammen von der gleichen Königin und dem gleichen Männchen ab. Erkrankte Hummeln scheinen es zu vermeiden, ihre Nestgenossinnen anzustecken, indem sie sich verstärkt außerhalb des Nestes aufhalten. Zudem wurde von Forschergruppen der Universität Keele durch chemische Analysen nachgewiesen, daß sich der Körpergeruch dieser Hummeln von dem ihrer nichtinfizierten Nestgenossinnen unterscheidet. Die Bedeutung von Krankheiten und Parasiten für andere soziale Insekten wird gemeinsam mit den Universitäten Aarhus und Sheffield an den ebenfalls ökonomisch und ökologisch wichtigen Honigbienen und Blattschneiderameisen untersucht.

Bereits in den ersten zwei Jahren dieses Netzwerks zeigte sich, daß die enge Zusammenarbeit von Fachleuten aus verschiedenen Wissensgebieten wesentlich zu einem umfassenderen Verständnis der sozialen Evolution beiträgt. Um die Kontakte zwischen europäischen Arbeitsgruppen zu intensivieren, erfolgen im TMR-Netzwerk "Social evolution" zusätzlich zu den gemeinsam bearbeiteten wissenschaftlichen Projekten gegenseitige Laborbesuche und regelmäßige Workshops, an denen auch Gäste aus anderen Universitäten teilnehmen können.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1999, Seite 957
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 1999

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 1999

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