News: Ein kräftiger Zug
Atemtechnisch trauten Zoologen den Insekten bisher nicht viel zu. Nur eine passive Diffusion im Tracheensystem - vielleicht noch unterstützt durch Pumpbewegungen des Blutes - standen sie ihnen zu. Doch hoch auflösende Röntgenaufnahmen zeigen ein ganz anderes Bild.
© Science/Mark Westneat (Ausschnitt)
Das Mikroskop hat einen Umfang von einem Kilometer – und sprengt damit den Rahmen der Arbeitsgeräte, mit denen Zoologen sonst hantieren. Der Synchrotron-Teilchenbeschleuniger Advances Photon Source des Argonne National Laboratory, mit dem Physiker die Struktur der Materie zu ergründen versuchen, dient normalerweise auch weniger der Erforschung zoologischer Objekte. Mehr aus einer Laune heraus hatte Wah-Keat Lee vor zwei Jahren eine tote Ameise in den Strahlengang des Teilchenbeschleunigers gelegt – und war fasziniert von den detaillierten Aufnahmen, die er von den inneren Organen des Tieres erhielt. Im Internet suchte der Physiker nach einem Zoologen, der ihm mehr zu seinen Bildern erzählen konnte, und stieß dabei auf Mark Westneat vom Field Museum of Natural History in Chicago.
Zusammen erkannten sie die Möglichkeiten, die in der Großforschungseinrichtung stecken. Denn die Anlage, die Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, erzeugt eine stark gebündelte, hoch präzise Röntgenstrahlung, die sich auf sehr kleine Objekte fokussieren lässt. Damit liegt genau das richtige Instrument vor, um eine Frage zu beantworten, für die sich auch der Insektenkundler Oliver Betz von der Universität Kiel interessierte: Wie atmen Insekten?
Bisher trauten die Forscher den Kerbtieren eine weniger aktive Rolle dabei zu: Das Atmungsorgan der Tiere besteht aus einem kompliziert verzweigten System luftgefüllter innerer Röhren oder Tracheen, die den gesamten Körper durchziehen und mit der Außenwelt über Atmungslöcher verbunden sind. Der Sauerstoff gelangt so über passive, und damit recht langsame Diffusionsprozesse zu den inneren Organen. Lediglich wechselnde Druckverhältnisse des Blutes sowie Muskelbewegungen im Hinterleib wurden den Insekten als unterstützende Ventilationsmaßnahmen zugestanden. Eine aktive Atmung, wie sie unsere Lunge tagtäglich vollbringt, schien ausgeschlossen.
Doch als die Forscher Angehörige verschiedener Insektenarten, darunter den Laufkäfer Platynus decentis, die Ameise Camponotus pennsylvanica und das Heimchen Acheta domesticus, lebend unter ihr Riesenmikroskop legten, zeigte sich ein ganz anderes Bild: Die Tiere setzten aktiv ihre Muskeln im Kopf und im Vorderkörper ein, um ihr Tracheensystem regelmäßig zu füllen und wieder zu entleeren. Dabei tauschten sie bei jedem Atemzug, der etwa eine Sekunde dauerte, bis zu 50 Prozent des Gasvolumens aus. Das entspricht in etwa dem Gasaustausch in der Lunge eines Menschen bei normaler Belastung.
Diese bisher unbekannte Atmungsaktivität der Insekten könnte zu ihrem Erfolg in der Evolution beigetragen haben, wie Oliver Betz vermutet: "Die Möglichkeit eines aktiven trachealen Atmungsmechanismus spielte vermutlich eine wichtige Rolle bei der Entwicklung besonderer Leistungen wie schnelles Laufen oder Fliegen. Gleichzeitig war sie wohl eine Grundvoraussetzung für die Sauerstoffversorgung des Gehirns zur Wahrnehmung komplexer Sinnesfunktionen."
Die Neugier der Forscher ist damit noch längst nicht befriedigt. Demnächst wollen sie ihren Tieren beim Fressen genauer zuschauen, denn die kompliziert gebauten Mundwerkzeuge ließen bisher eine direkte Beobachtung beim lebenden Insekt kaum zu. Außerdem wollen die Wissenschaftler die energiereiche Strahlung des Teilchenbeschleunigers derart modifizieren, dass auch Wirbeltiere ihr unbeschadet standhalten. Dann könnten auch kleinste Bereiche des Knochenskeletts oder der Blutgefäße unter das Riesenmikroskop gelegt werden.
Zusammen erkannten sie die Möglichkeiten, die in der Großforschungseinrichtung stecken. Denn die Anlage, die Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, erzeugt eine stark gebündelte, hoch präzise Röntgenstrahlung, die sich auf sehr kleine Objekte fokussieren lässt. Damit liegt genau das richtige Instrument vor, um eine Frage zu beantworten, für die sich auch der Insektenkundler Oliver Betz von der Universität Kiel interessierte: Wie atmen Insekten?
Bisher trauten die Forscher den Kerbtieren eine weniger aktive Rolle dabei zu: Das Atmungsorgan der Tiere besteht aus einem kompliziert verzweigten System luftgefüllter innerer Röhren oder Tracheen, die den gesamten Körper durchziehen und mit der Außenwelt über Atmungslöcher verbunden sind. Der Sauerstoff gelangt so über passive, und damit recht langsame Diffusionsprozesse zu den inneren Organen. Lediglich wechselnde Druckverhältnisse des Blutes sowie Muskelbewegungen im Hinterleib wurden den Insekten als unterstützende Ventilationsmaßnahmen zugestanden. Eine aktive Atmung, wie sie unsere Lunge tagtäglich vollbringt, schien ausgeschlossen.
Doch als die Forscher Angehörige verschiedener Insektenarten, darunter den Laufkäfer Platynus decentis, die Ameise Camponotus pennsylvanica und das Heimchen Acheta domesticus, lebend unter ihr Riesenmikroskop legten, zeigte sich ein ganz anderes Bild: Die Tiere setzten aktiv ihre Muskeln im Kopf und im Vorderkörper ein, um ihr Tracheensystem regelmäßig zu füllen und wieder zu entleeren. Dabei tauschten sie bei jedem Atemzug, der etwa eine Sekunde dauerte, bis zu 50 Prozent des Gasvolumens aus. Das entspricht in etwa dem Gasaustausch in der Lunge eines Menschen bei normaler Belastung.
Diese bisher unbekannte Atmungsaktivität der Insekten könnte zu ihrem Erfolg in der Evolution beigetragen haben, wie Oliver Betz vermutet: "Die Möglichkeit eines aktiven trachealen Atmungsmechanismus spielte vermutlich eine wichtige Rolle bei der Entwicklung besonderer Leistungen wie schnelles Laufen oder Fliegen. Gleichzeitig war sie wohl eine Grundvoraussetzung für die Sauerstoffversorgung des Gehirns zur Wahrnehmung komplexer Sinnesfunktionen."
Die Neugier der Forscher ist damit noch längst nicht befriedigt. Demnächst wollen sie ihren Tieren beim Fressen genauer zuschauen, denn die kompliziert gebauten Mundwerkzeuge ließen bisher eine direkte Beobachtung beim lebenden Insekt kaum zu. Außerdem wollen die Wissenschaftler die energiereiche Strahlung des Teilchenbeschleunigers derart modifizieren, dass auch Wirbeltiere ihr unbeschadet standhalten. Dann könnten auch kleinste Bereiche des Knochenskeletts oder der Blutgefäße unter das Riesenmikroskop gelegt werden.
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