Unsere Welt ist voller Insekten, deren Vielfalt uns immer wieder in Erstaunen versetzt. Von den geschätzten Millionen Insektenarten bevölkern etwa 33.000 verschiedene Arten Deutschland. Diese beeindruckende Artenvielfalt macht die Insekten zu einer der erfolgreichsten Tierklassen der Erde. Insekten haben fast jeden Lebensraum erobert, von der Luft über den Boden bis hin zu Pflanzen und anderen Tieren, mit Ausnahme des offenen Meeres und der Polarregionen.
Der Insektenkörper: Ein Überblick
Der Körper eines Insekts besteht aus drei Hauptteilen: Kopf (Caput), Brust (Thorax) und Hinterleib (Abdomen). Insekten zeichnen sich durch sechs Beine aus, die zusammen mit den Flügeln an den Brustsegmenten befestigt sind. Der Hinterleib beherbergt die Verdauungs- und Geschlechtsorgane. Anstelle eines inneren Skeletts besitzen Insekten ein schützendes Außenskelett (Exoskelett) aus Chitin, das den Körper vor Nässe schützt und gleichzeitig Stabilität und Flexibilität gewährleistet. Die Atmung erfolgt über ein verzweigtes Röhrensystem (Tracheen), das den gesamten Körper durchzieht. Insekten verfügen über ein einfaches Nervensystem und ein offenes Blutgefäßsystem. Am Kopf befinden sich Sinnesorgane wie Facettenaugen und Fühler sowie Mundwerkzeuge, die je nach Art und Nahrungspräferenz variieren.
Metamorphose: Die Verwandlungskünstler der Natur
Insekten sind wahre Verwandlungskünstler, die entweder eine unvollkommene oder eine vollkommene Metamorphose durchlaufen. Bei der unvollkommenen Metamorphose schlüpfen die Jungtiere aus dem Ei und ähneln bereits den adulten Tieren. Mit jeder Häutung verändert sich ihr Aussehen schrittweise, bis sie das endgültige Erscheinungsbild erreichen. Wanzen, Libellen und Heuschrecken sind Beispiele für Insekten mit unvollkommener Metamorphose. Die Dauer des Larvenstadiums hängt von Faktoren wie Temperatur und Nahrungsangebot ab.
Im Gegensatz dazu durchlaufen Insekten mit vollkommener Metamorphose eine vollständige Verwandlung. Schmetterlinge und Käfer durchlaufen die Lebensphasen Ei - Raupe - Puppe - Schmetterling bzw. Ei - Engerling - Puppe - Käfer. Die Larven (Maden, Raupen oder Engerlinge) unterscheiden sich stark von den adulten Tieren und haben oft völlig andere Lebensweisen, Lebensräume und Futterquellen. Erst im Puppenstadium verwandelt sich das Insekt und schlüpft in seiner endgültigen Form. Fliegen, Bienen, Schmetterlinge und Käfer sind Beispiele für Insekten mit vollkommener Metamorphose.
Ernährungsvielfalt: Von Pflanzenfressern bis Aasfressern
Insekten zeigen eine große Vielfalt an Ernährungsweisen. Während einige Arten Allesfresser sind, ernähren sich die meisten entweder von Pflanzen oder von Fleisch. Pflanzenfressende Insekten nutzen auch Holz, Mist und Dung als Nahrungsquellen und sind in der Lage, daraus verwertbare Nährstoffe zu gewinnen. Unter den Fleischfressern gibt es Räuber, Parasiten und Aasfresser. Interessanterweise können Insekten ihren Ernährungstyp je nach Entwicklungsphase ändern.
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Das Nervensystem der Insekten: Aufbau und Funktion
Das Nervensystem der Insekten ist ein faszinierendes und komplexes Netzwerk, das für die Steuerung von Verhalten und Sensorik unerlässlich ist. Im Allgemeinen lässt sich sagen, dass Nervensysteme (NS) wirbelloser Tiere äußerst vielgestaltig sind.
Grundlegende Prinzipien des Nervensystems
Das Nervensystem ist ein Netzwerk aus Nervenzellen (Neuronen), die miteinander verbunden sind und sich gegenseitig beeinflussen. Neuronen erzeugen elektrische Erregung, indem sie chemische, mechanische oder elektrische Reize aufnehmen und umwandeln. Diese Erregung wird in Form schwacher elektrischer Ströme über lange Fortsätze an andere Zellen weitergeleitet. Eine Nervenzelle kann bis zu 10.000 Verbindungen mit anderen Nervenzellen eingehen. Die Verästelungen im Nervensystem ermöglichen eine schnelle Informationsleitung und -übertragung an entfernte Zielorte.
Das Nervensystem ist ein koordinierendes Organsystem mit folgenden Aufgaben:
- Wahrnehmung von Reizen mithilfe von Sinneszellen (Rezeptoren)
- Informationsverarbeitung und -speicherung
- Beantwortung von Informationen durch Verhaltensweisen oder Steuerung innerer Organe
Zentralisation und Cephalisation
Mit der Entwicklung des zweiseitig (bilateral) symmetrischen Körperbaus und der damit verbundenen Kopfausbildung (Cephalisation) fand eine zunehmende Zentralisation des Nervensystems statt. Auch die gerichtete Fortbewegung spielt dabei eine Rolle. Ein bilateralsymmetrisches Nervensystem besteht aus einem peripheren Nervensystem (PNS) und einem zentralen Nervensystem (ZNS). Das ZNS umfasst das Gehirn im Kopfbereich und einen oder zwei Markstränge, die längs am Körper verlaufen. Markstränge sind Bündel von Nervenfasern, die elektrische Impulse zwischen Gehirn und PNS übertragen. Sie enthalten Zellkörper, die sensorische Informationen aufnehmen und in Signale für die Erfolgsorgane umwandeln können. Aus Verdickungen der Markstränge im Kopfbereich entwickelte sich im Laufe der Evolution das Gehirn. Das periphere Nervensystem enthält Nerven, die Informationen vom ZNS zu den Endorganen oder von den Sinnesorganen zum ZNS leiten.
Vergleich mit anderen Tiergruppen
Hohltiere
Der einfachste Typ eines Nervensystems findet sich bei den Nesseltieren (Cnidarien). Sie besitzen ein diffuses, netzartiges System von Nervenzellen, das an der äußeren Zellschicht über den gesamten Körper verteilt ist. Die Informationsübertragung zwischen den Neuronen erfolgt an Synapsen, den Endstellen der langen Zellausläufer. Die Informationsleitung an diesen Synapsen erfolgt in beide Richtungen, wodurch sich Erregung von jedem beliebigen Punkt aus gleichmäßig in alle Richtungen ausbreiten kann. Eine zentrale neuronale Verarbeitungsstelle existiert nicht, was nur eine geringe oder keine zentrale Steuerung des Organismus ermöglicht.
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Bei Quallen (Medusen) liegt bereits eine Konzentration von Nervenzellen in Form von Ringen im Schirmrand vor. Diese Nervenringe übertragen Informationen zur Koordination des Körpers. Radial von den Nervenringen weg führen Nervenstränge zu den Sinnesorganen, und an der Basis jedes Sinnesorgans kommt es häufig zur Ganglionbildung.
Stachelhäuter
Seesterne (Asteroidea) gehören zu den Stachelhäutern, deren Nervensystem Ähnlichkeiten mit dem der Quallen aufweist. Sie besitzen einen zentralen Nervenring um die Mundscheibe, von dem radiäre Nervenstränge in die Arme ziehen. Seesterne haben ein radiärsymmetrisches Nervensystem.
Plattwürmer
Eine zunehmende Cephalisation findet man bei den Plattwürmern (Plathelminthes). Das Nervensystem der niederen Strudelwürmer besteht aus einem diffusen Nervennetz ohne Stränge und Längsverdickungen, aber mit Verstärkungen im vorderen Körperende. Bei höheren Strudelwürmern kommt es zur Zentralisation des Nervensystems. Assoziations- und motorische Zellen vereinigen sich zu Längssträngen (Konnektiven), die durch Querstränge (Kommissuren) miteinander verbunden sind. Plattwürmer haben also bereits ein kleines Gehirn ausgebildet, von dem aus die Markstränge durch den Körper ziehen. Das periphere Nervensystem besteht aus einem Strickleiternetz.
Das ZNS der Plattwürmer besteht aus dem kleinen Gehirn (Cerebralganglion) und insgesamt acht Marksträngen, die längs durch den Körper ziehen. Die Markstränge sind quer durch Kommissuren miteinander verbunden. Das Gehirn am Kopfende versorgt vor allem die Lichtsinnesorgane (Augen) und ermöglicht so eine Hell-Dunkel-Unterscheidung und eine gerichtete Fortbewegung.
Schlauchwürmer
Typisch für Schlauchwürmer (Rund- und Fadenwürmer, Rädertiere u.a.) ist ein relativ niedriger Cephalisationsgrad: Im Bereich des Vorderendes besteht das Nervensystem lediglich aus einem Schlundring, über den die Nervenzellen zerstreut verteilt sind.
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Ringelwürmer
Das Nervensystem der Ringelwürmer (Annelida) lässt sich schematisch aus dem der Plattwürmer herleiten. Es erfolgte eine Verstärkung der beiden Bauchstränge und eine Reduktion der übrigen sechs Markstränge. Durch die Zusammenfassung der Nervenzellen in den einzelnen Segmentabschnitten der Ringelwürmer kommt es zur Ausbildung eines typischen Strickleiternervensystems. In diesem sind die pro Körpersegment zu Nervenknoten verschmolzenen zwei Bauchmarkganglien durch Kommissuren miteinander und durch Konnektive mit benachbarten Ganglien verbunden (Bauchmark). Das Gehirn befindet sich ebenfalls in der Kopfregion des Organismus. In jedem Körpersegment ist in der Regel ein Ganglienpaar ausgebildet. Den Ringelwürmern und allen Gliederfüßern fehlt ein diffuses Hautnervengeflecht.
Weichtiere
Zu den Weichtieren (Mollusken) gehören u. a. Schnecken, Muscheln und Tintenfische (Kopffüßer, Cephalopoda). Die Entwicklung der Nervensysteme in diesem Tierstamm reicht von sehr einfach (Polyplacophora) bis hoch entwickelt (Cephalopoda mit starker Cephalisation und hoch entwickelten Sinnesorganen). Viele Mollusken besitzen ein Zentralnervensystem aus paarigen Ganglien, welche in verschiedenen Körperteilen lokalisiert und durch Kommissuren oder Konnektive miteinander verbunden sind. Meist verlaufen vier Stränge durch den Organismus. Ursprünglich sind bei den Mollusken fünf Hauptganglienpaare vorhanden: Cerebralganglien, die v. a. Den höchsten Grad der Gehirnbildung in dieser Gruppe haben die Cephalopoden erreicht. Die sensorischen Zentren sind im Cerebralganglion lokalisiert. Die übrigen Ganglienpaare haben sich zu einem Unterschlundganglion zusammengeschlossen und enthalten die motorischen Zentren.
Die Verbindungen zwischen den Ganglienpaaren sind zugunsten der Verschmelzung stark reduziert. Diese Organisation entspricht einem hoch entwickelten Gehirn und zeichnet sich zusätzlich durch Riesen-Axone (Axon = Nervenzellbahn) aus. Am Kopf befinden sich leistungsfähige Augen mit Linsen, welche von innen durch Knorpelgewebe umschlossen und geschützt werden. Beispielsweise gehören Kraken zu den intelligentesten wirbellosen Tieren. Sie sind in der Lage, gezielt Gegenstände aus verschlossenen Gläsern mit Schraubverschluss herauszuholen. Damit gelten sie als intelligenter als z. B. Reptilien.
Aufgrund ihrer Riesen-Nervenzellen und -bahnen sind Kopffüßer und auch Schnecken wichtige Untersuchungsmodelle für die neurobiologische Forschung. Zum Beispiel wurden grundlegende Erkenntnisse über den Mechanismus der Entstehung eines Aktionspotenzials (AP) an den Riesen-Axonen des Tintenfischs gewonnen. Besonders wichtig war die Aufklärung der Grundlagen der Nervenleitung an Riesen-Nervenfasern von Kalmaren. Schnecken werden häufig für Untersuchungen zur Regeneration von Neuronen, der Funktion von Neurotransmittern sowie der Erforschung der Mechanismen des Lernens und Gedächtnisses eingesetzt. So besitzt die marin lebende Schnecke Aplysia sehr große Neuronen, die sich experimentell leicht manipulieren lassen. Das gesamte NS dieser Schnecke besteht aus ca. 20 000 Neuronen.
Gliederfüßer
Das Zentralnervensystem der Gliederfüßer ähnelt in der Grundkonstruktion dem Bauchmark der Ringelwürmer. Jedoch sind entsprechend den hoch entwickelten Sinnesleistungen und dem komplexen Verhaltensrepertoire übergeordnete Strukturen stärker ausgebildet. D. h. außer dem Gehirn (Verschmelzung von Ganglien im Kopfbereich) sind häufig auch die Ganglien des Brustabschnitts und des Hinterleibs zu großen Nervenknoten verschmolzen. Das typische Strickleiternervensystemmuster „ein Segment - ein Ganglienpaar“ kommt dadurch bei adulten Tieren nur selten zur Ausprägung. Es ergibt sich eher das Schema einer unpaaren Kette.
Das Nervensystem besteht aus einem Gehirn, den Schlundkonnektiven (Längssträngen) und den ventralen Strängen (Strickleiternervensystem). Bei vielen Insekten kommt es durch das Zusammenschließen vieler einzelner Nervenpunkte zu mehreren größeren Knoten zur Tendenz einer Dezentralisierung. Dies äußert sich in dem relativ unabhängigen und eigenständigen Agieren der Brustganglien und des Gehirns im Kopfbereich. Eine Erklärung dafür ist die Steuerung der am Bruststück befestigten vielfältigen Lokomotionsorgane (3 Bein- und 2 Flügelpaare). Des Weiteren sind die Lokomotionsorgane noch mit zahlreichen Sinnesorganen ausgestattet, die bei anderen Tieren der Kopfregion angehören. Somit erscheint eine separate Kontrolle dieser Körperregion sinnvoll.
Wirbeltiere
Das Nervensystem der Wirbeltiere zeichnet sich durch die Verlagerung der nervösen Zentralorgane in das Körperinnere (Internation) und durch die Zentralisierung vieler Neuronengruppen zu einem Zentralorgan aus.
Das Strickleiternervensystem der Insekten
Insekten besitzen ein Strickleiternervensystem, das sich vom Kopf bis in das Abdomen erstreckt und dem Rückenmark bei Menschen ähnelt. Im Kopfbereich befindet sich ein großes Nervenknotenpaar, die Oberschlundganglien, das als Gehirn der Insekten fungiert.
Sinnesorgane und ihre Funktion
Insekten nutzen ihren Geruchssinn, um Futter, Feinde oder Paarungspartner zu finden. Kohlendioxid ist dabei ein wichtiger Botenstoff. Fliegen lehnen ihn ab und fliehen, während Mücken ihn nutzen, um Menschen bzw. Tiere zum Blutsaugen aufzuspüren. Die Detektion von CO2 in Insekten wird intensiv untersucht, um zur Ausrottung von Krankheiten wie Malaria beitragen zu können. Bestimmte Gene könnten in der Evolution eine wichtige Rolle dabei gespielt haben, dass Mücken und Fliegen CO2 so gegensätzlich wahrnehmen.
Riechen mit Antennen
Insekten riechen mit ihren Antennen oder der Maxille, einem weiteren Geruchsorgan. Riechzellen, auch Geruchsneurone genannt, produzieren Duftrezeptoren, die bestimmte Duftstoffe binden und als Signal in die Riechzelle weiterleiten können. Jede Riechzelle bildet eine eigene Version dieses Duftrezeptors, um möglichst viele verschiedene Düfte wahrnehmen und unterscheiden zu können. Riechzellen senden Nerven in das Gehirn, wo sie mit anderen Neuronen eine Schaltstelle, die Synapse, bilden. Die Duftumgebung wird aus einem Mix an Duftstoffen in eine räumliche Karte umgewandelt, um die Information weiterzuverarbeiten. Vanilleduft aktiviert eine Gruppe von Neuronen im Gehirn, die räumlich von denen getrennt sind, die Schwefelduft erkennen. Diese Hirnstruktur wird beim Menschen olfaktorischer Bulbus und bei Insekten Antennallobus genannt. Beide Strukturen bilden Glomeruli, knotenartige Ansammlungen von Nervenenden, die von einem duftabhängigen Code aktiviert werden. Die Signale werden durch weitere Neurone in einer Glomerulus-abhängigen Weise an die höheren Hirnzentren weitergegeben, wo weitere Informationen wie visueller Input und Erinnerungen mitverarbeitet werden, um ein der Situation angemessenes Verhalten zu initiieren.
CO2: Anziehend oder abstoßend?
Kohlendioxid (CO2) löst bei verschiedenen Tieren ein starkes angeborenes Verhalten aus. Hohe Konzentrationen an CO2 können bei vielen Tieren und auch beim Menschen Fluchtverhalten oder sogar Panikattacken auslösen. Die Fliege Drosophila reagiert ähnlich und flüchtet schon vor relativ niedrigen Konzentrationen an CO2. Einige Insekten reagieren genau umgekehrt: Sie lieben CO2. Ein bekanntes Beispiel ist die blutsaugende Mücke, die CO2 nutzt, um Menschen bzw. Tiere zu lokalisieren. Mücken können schon ein Zehntel des von Menschen ausgeatmeten CO2 detektieren und daher über längere Distanzen die CO2-Quelle aufstöbern.
Vom Gen zum Verhalten
Gene kontrollieren den Aufbau von Nervensystemen, und der Aufbau von Nervensystemen kontrolliert das Verhalten. Gene und ihre Produktionsmuster sowie Nervensysteme und Verhaltensweisen unterliegen den Regeln der Evolution. Düfte aktivieren bestimmte Muster oder Glomeruli im Hirn. Je nach Aktivierungsmuster bekommen die höheren Hirnzentren einen unterschiedlichen Befehl. Mücken bewegen sich zu CO2 hin, Fliegen davon weg. CO2 löst in beiden Tieren sehr unterschiedliche Aktivierungsmuster im Antennallobus aus. Diese Aktivierungsmuster resultieren aus der unterschiedlichen Lokalisation der CO2 detektierenden Rezeptorneurone selbst und ihrer Projektionsmuster im Antennallobus. In der Fliege sitzen die CO2-Neurone ausschließlich auf der Antenne und schicken ihre Axone zu einem bestimmten einzelnen Glomerulus. In der Mücke wird ein komplett anderer Glomerulus von CO2-Neuronen angesteuert, die exklusiv auf den Maxillen zu finden sind. Gene, die die Struktur dieser beiden CO2-sensorischen Systeme bestimmen, steuern somit auch indirekt das Verhalten der Tiere.
Die Rolle von microRNAs
Durch Nutzung der Fliege als genetischen Modellorganismus wurden mehrere wichtige Gene gefunden, die möglicherweise die Diversifizierung der CO2-Nervensysteme dieser beiden Insekten gesteuert haben. Eines dieser Gene ist eine sogenannte microRNA. MicroRNAs sind Moleküle, die ähnlich wie die DNA aufgebaut sind, aber Ribo- statt Desoxyribonukleinsäuren enthalten. Sie kodieren nicht für ein Protein, sondern agieren als Inhibitoren für die Produktion ganz spezifischer Zielproteine.
Fliegen, denen diese microRNA, miR-279, fehlt, entwickeln ein CO2-sensorisches System, das dem der Mücken sehr ähnlich ist. Wie in Mücken besitzen diese Fliegen CO2-Neurone auf ihren Maxillen. Diese CO2-Neurone innervieren die gleichen Glomeruli, die auch in der Mücke von CO2-Neuronen innerviert werden. miR-279 ist in der normalen Fliege Teil eines Signalnetzwerks, das die Produktion von zwei bestimmten Proteinen unterdrückt. Nicht unterdrückt, haben diese Proteine die Eigenschaft, die Entwicklung von maxillaren CO2-Neuronen hervorzurufen und auch deren Verbindungen zum Antennallobus zu steuern.
Die gefundenen genetischen Faktoren aus der Fliege sind alle auch in der Mücke vorhanden. Allerdings scheint ihre Interaktion im Vergleich zur Fliege möglicherweise verändert. Diese evolutionäre Veränderung könnte zur Folge gehabt haben, dass Mücken CO2-Neurone auf ihren Maxillen besitzen, deren Aktivierung eine CO2-Anziehung hervorruft.
Perspektiven für die Zukunft
Mücken, die kein CO2 mehr detektieren können - das wäre das ideale Ergebnis der Studien. Denn solche Mücken hätten Probleme, Menschen oder Tiere aufzuspüren. Langfristig könnten diese Ergebnisse also dazu beitragen, krankheitsübertragende Moskitos vom Stechen abzuhalten.
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