Insekten und Wirbeltiere im Vergleich: Das Nervensystem im Fokus

Im Frühling, wenn die Natur erwacht, beobachten wir Insekten wie Libellen, Hummeln, Käfer und Schmetterlinge in ihrer vollen Pracht. Trotz ihrer Vielfalt weisen sie einen ähnlichen Körperbau auf. Doch wie unterscheidet sich ihr Nervensystem von dem der Wirbeltiere? Dieser Artikel beleuchtet die Unterschiede und Gemeinsamkeiten im Nervensystem von Insekten und Wirbeltieren.

Körperbau der Insekten: Ein Überblick

Trotz der großen Vielfalt an Insekten haben alle einen ähnlichen Grundaufbau des Körpers. Der Körper der Insekten wird in drei Teile unterteilt: Kopf, Brust und Abdomen.

• Kopf: Am Kopf sitzen die Antennen oder Fühler, die je nach Art unterschiedlich aufgebaut sind. Zu den Sinnesorganen der Insekten zählen die Komplexaugen, die aus mehreren Einzelaugen bestehen. Des Weiteren besitzen Insekten komplexe Mundwerkzeuge.
• Brust: Die Brust wird in drei Segmente unterteilt. An jedem Segment befindet sich ein Beinpaar. Insekten besitzen drei Beinpaare, also sechs Beine, die je nach Funktion unterschiedlich geformt sind. An den beiden hinteren Brustsegmenten entspringen rückenseitig in der Regel zwei Flügel.
• Abdomen: Insekten besitzen ein starres Außenskelett aus Chitin.

Das Nervensystem der Insekten: Ein Strickleiternervensystem

Insekten besitzen ein Strickleiternervensystem, das sich vom Kopf bis in das Abdomen erstreckt. Das Strickleiternervensystem ist dabei so etwas wie das Rückenmark beim Menschen. Im Kopfbereich liegt ein besonders großes Nervenknotenpaar, die Oberschlundganglien. Es ist so etwas wie das Gehirn der Insekten.

Besonderheiten des Insektennervensystems

• Offenes Blutkreislaufsystem: Insekten besitzen keine Adern, die das Blut durch den Körper transportieren. Das Blut fließt frei im Körper um alle Organe herum. Insekten haben kein geschlossenes Blutgefäßsystem wie wir Menschen, sondern besitzen ein offenes Blutkreislaufsystem. Dabei pumpt das Herz das Blut durch den Körper. Da das Blut nicht für den Sauerstofftransport, sondern nur für den Nährstofftransport zuständig ist, fehlen die roten Blutkörperchen, die Sauerstoff transportieren. Daher ist das Blut der Insekten durchsichtig und farblos.
• Tracheensystem: Insekten besitzen keine Lunge. Als Atmungssystem besitzen Insekten ein Tracheensystem. Dieses ist für den Gasaustausch zuständig. Die Röhrentracheen führen durch den gesamten Körper und leiten Sauerstoff zu den Organen und Muskeln und Kohlenstoffdioxid aus dem Körper heraus. Die Tracheen sind über Porenöffnungen (Stigma) im Chitinpanzer mit der Außenluft verbunden.
• Verdauungstrakt: Auch Insekten besitzen zum Verdauen ihrer Nahrung einen Verdauungstrakt. Der Magen-Darm-Trakt führt vom Mund bis in den hintersten Teil des Abdomens. Er endet mit dem After. Aber Achtung, einige Insektenarten fressen im Erwachsenenalter nichts mehr. Das Erwachsenenstadium dient dann in der Regel nur noch der Fortpflanzung.
• Geschlechtsorgane: Bei den meisten Insekten kann man zwischen männlichen und weiblichen Geschlechtsorganen unterscheiden. Unterhalb des Afters liegen die Geschlechtsöffnungen. Die Insekteneier sind nur wenige Millimeter groß und können ohne Lupe oft nicht erkannt werden.

Erkennungsmerkmale der Insekten

Die einfachsten Erkennungsmerkmale der Insekten sind die sechs gegliederten Beine und die Fühler am Kopf. Die meisten Arten besitzen zudem Flügel.

Evolution der Nervensysteme: Von einfach zu komplex

Ob Atmung oder Nervensystem: Bei Insekten ist vieles ganz anders als bei Wirbeltieren. Das liegt auch daran, dass sie eine sehr alte Tiergruppe sind. Die ersten Insekten entstanden vor rund 480 Millionen Jahren. Die Entwicklung der Nervensysteme von Wirbellosen und Wirbeltieren zeigt eine deutliche Tendenz zur Komplexität.

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Nervensysteme wirbelloser Tiere

Nervensysteme wirbelloser Tiere sind äußerst vielgestaltig. Nesseltiere und Stachelhäuter sind radiärsymmetrisch gebaut und zeigen dementsprechend ein radiärsymmetrisches NS. Der Süßwasserpolyp besitzt ein diffuses Nervennetz. Bei den Stachelhäutern ist ein zentraler Ring mit Radiärnerven in jedem Arm ausgebildet. Mit der Evolution fand eine fortschreitende Zentralisation der NS und eine Cephalisierung (Kopfbildung) statt. Bei den meisten bilateralsymmetrisch (zweiseitig gleich) gebauten Tieren ist auch ein bilateralsymmetrisches NS ausgebildet.

Diffuses Nervennetz

Den einfachsten Typ eines NS findet man innerhalb der Hohltiere bei den Nesseltieren (Cnidarien). Sie besitzen ein diffuses (zerstreutes), netzartiges System von Nervenzellen, welches 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 findet an diesen Synapsen solcher Nervennetze in beide Richtungen statt. Dadurch bedingt kann sich in so einem Netzwerk von jedem beliebigen Punkt aus Erregung gleichmäßig in alle Richtungen ausbreiten. Eine zentrale neuronale Verarbeitungsstelle existiert in diesem Nervennetz nicht, weshalb nur eine geringe oder keine zentrale Steuerung des Organismus möglich ist.

Bei Quallen (Medusen) liegt bereits eine Konzentration von Nervenzellen in Form von Ringen im Schirmrand vor. Durch diese Nervenringe werden die Informationen zur Koordination des Körpers übertragen. Radial (strahlenförmig) von den Nervenringen weg führen Nervenstränge zu den Sinnesorganen und häufig kommt es an der Basis eines jeden Sinnesorgans zur Ganglionbildung.

Radiärsymmetrisches Nervensystem

Seesterne (Asteroidea) gehören zu den Stachelhäutern, deren Nervensystem Ähnlichkeiten mit dem System der Quallen aufweist. Seesterne besitzen beispielsweise einen zentralen Nervenring um die Mundscheibe. Von diesem Ring ziehen radiäre Nervenstränge in die Arme. Seesterne besitzen ein radiärsymmetrisches NS.

Strickleiternervensystem

Arthropoden oder Gliederfüßer (z.B. Insekten, Krebse, Spinnentiere), aber auch Ringelwürmern u.a. besitzen ein Strickleiternervensystem. Es besteht aus mehreren Ganglien, die über zwei Nervenstränge miteinander verbunden sind. Im Kopfbereich zeigt es oft eine Verschmelzung mehrerer Ganglien, das sogenannte Kopfganglion oder Oberschlundganglion. Die Ganglien der einzelnen Segmente sind über Konnektive verbunden, sodass das Bild einer Strickleiter entsteht. Die Neuronen arbeiten zunehmend unabhängig voneinander (z.B. Regenwurm ) und es zeigt sich eine zunehmende Gehirnbildung (Cephalisation). Die Ganglien koordinieren die einzelnen Segmente.

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Zentralisation des Nervensystems

Mit der Entwicklung des zweiseitig (bilateral) gleichartigen (symmetrischen) Körperbaus und der damit zusammenhängenden Kopfausbildung (Cephalisation) fand eine fortschreitende Zentralisation des NS statt. Auch die gerichtete Fortbewegung spielt bei dieser Entwicklung eine wesentliche Rolle. Ein dementsprechend bilateralsymmetrisches NS besteht aus einem peripheren NS (PNS) und einem zentralen NS (ZNS). Das ZNS setzt sich aus dem Gehirn im Kopfteil und einem oder zwei von ihm ausgehenden Marksträngen zusammen. Markstränge sind Bündel von Nervenfasern, die längs am Körper verlaufen. Sie sind die Hauptleitungen für die Übertragung der elektrischen Impulse zwischen Gehirn und PNS. Ein Markstrang enthält Zellkörper, die sensorische Informationen aufnehmen und in Signale für die Erfolgsorgane umwandeln können. Aus Verdickungen dieser Markstränge im Kopfbereich entwickelte sich im Laufe der Evolution das Gehirn. Das periphere NS enthält Nerven, die Informationen vom ZNS zu den Endorganen leiten oder umgekehrt von den Sinnesorganen zum ZNS.

Nervensysteme der Wirbeltiere

Bei Wirbeltieren kommt es zu einer zunehmenden Zentralisierung in Form einer Schaltzentrale: das Gehirn. Es fungiert als übergeordnetes System und Verarbeitungsstelle. Das Rückenmark arbeitet dabei als Leitbahn und enthält Reflexbögen und Verschaltungen. Das NS der Wirbeltiere zeichnet sich durch die Verlagerung der nervösen Zentralorgane in das Körperinnere (Internation) und durch die Zentralisierung vieler Neuronengruppen zu einem Zentralorgan aus.

Unterschiede und Gemeinsamkeiten

Die Nervensysteme von Wirbellosen und Wirbeltieren zeigen einige Gemeinsamkeiten, aber auch deutliche Unterschiede. Ein Teil der wirbellosen Tiere (z.B. Nesseltiere, wie Quallen) besitzt ein sog. Nervennetz. Die Neurone sind gleichmäßig im gesamten Körper verteilt. Sie verlaufen kreuz und quer und bilden eine Art Netz. An Schnittpunkten bestehen synaptische Kontakte. Im Gegensatz dazu steht das zentralisierte Nervensystem der Wirbeltiere mit Gehirn und Rückenmark.

Das Nervensystem im Detail: Neuronale Grundlagen

Das Nervensystem (NS) ist ein Netzwerk (Verband) aus Nervenzellen (Neuronen), die miteinander in Verbindung stehen und sich gegenseitig beeinflussen. Die Neuronen dienen der Erzeugung elektrischer Erregung unter Aufnahme chemischer, mechanischer oder elektrischer Reize und der Umwandlung dieser Reize. In Form schwacher elektrischer Ströme können sie diese Erregung über ihre langen Fortsätze an andere Zellen weiterleiten. Dabei kann eine Nervenzelle bis ca. 10 000 oft sehr verschiedenartige Verknüpfungen mit anderen Nervenzellen eingehen. Die vielen Verästelungen im NS ermöglichen eine schnelle Informationsleitung und eine direkte Übertragung der Informationen an die entfernteren Zielorte.

Aufgaben des Nervensystems

Das NS ist ein koordinierendes Organsystem und erfüllt folgende Aufgaben:

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• Die Wahrnehmung der unterschiedlichen Reizarten mithilfe von Sinneszellen (Rezeptoren).
• Die Informationsverarbeitung und -speicherung auf allen Ebenen des Nervensystems.
• Die Beantwortung der Informationen mit entsprechenden Verhaltensweisen bzw. die Steuerung der Funktionsweise innerer Organe.

Intelligenz bei Insekten: Das Duftgedächtnis der Honigbiene

Die Orientierung anhand von Düften ist für Honigbienen mindestens ebenso wichtig wie die optische Orientierung an Landschaftsmerkmalen und Sonnenstand. Bei der Wahrnehmung und Verarbeitung olfaktorischer Reize leisten die Insekten Erstaunliches. Sie registrieren nicht nur jede einzelne Komponente des Blütenduftes, sondern auch die für jede Blume spezielle Mixtur und deren Wert für die Nektarsuche. Da das Nektarangebot der aufgesuchten Pflanzen sowohl während der Saison als auch während des Tages schwankt, müssen Bienen ihre Sammelroute ständig aktualisieren.

Honigbienen besitzen wie alle Insekten im Gehirn besonders auffällige Strukturen, so genannte Pilzkörper, die aus etwa 170 000 dicht gepackten Nervenzellen bestehen und symmetrisch links und rechts im Hirn liegen. Hier kommen Informationen über Bilder, Düfte und mechanische Reize an, werden verarbeitet und gespeichert. Pilzkörper wurden deshalb auch als Sitz der Insektenintelligenz bezeichnet.

Seitenübergreifende Duftverarbeitung

Bisher wurde angenommen, dass bei Insekten die Informationen in den beiden Hirnhälften getrennt gespeichert und bewertet werden. Neueste Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass die beiden Pilzkörper miteinander verschaltet sind und somit ein den beiden Hirnseiten übergeordnetes integratives Lernzentrum bilden. Mit dieser Funktion scheinen die Pilzkörper den Seiten übergreifenden Strukturen der Wirbeltierhirne zu ähneln.

Experimentelle Belege

In Versuchen wurden Bienen zwei verschiedene Düfte angeboten, mal einzeln oder als Gemisch, mal nur mit der linken oder mit der rechten Antenne wahrnehmbar. Sollten sie sich einen Duft oder das Gemisch aus beiden merken, wurden die Tiere mit Zuckerwasser belohnt. Als Beleg für den Lernerfolg strecken Bienen in Erwartung der Belohnung ihren Rüssel. So haben die Insekten gelernt, dass die Einzeldüfte nicht belohnt werden, dafür aber das Gemisch. Der umgekehrte Lernprozess ist wesentlich anspruchsvoller, denn hierbei durften sie nur ihren Rüssel strecken, wenn sie die einzeln angebotenen Düfte wahrnahmen, nicht jedoch beim Gemisch. Zur Lösung dieser Lernaufgaben mussten die Bienen die Informationen, die in dem linken und dem rechten Pilzkörper ankamen, miteinander vergleichen und bewerten können, das Duftgedächtnis der Honigbiene wird also Seiten übergreifend gebildet.

Beteiligung der Pilzkörper

Man ging allerdings bisher davon aus, dass das einfache Duftgedächtnis, wenn nur ein Duft gespeichert werden soll, schon im Antennenlobus, also der ersten verarbeitenden Hirnstruktur (seitlich getrennt), abgelegt werden können. Die Forschung zeigt jedoch, dass selbst bei einfachen Lernvorgängen die Pilzkörper beteiligt sind, und zwar beide Pilzkörper Seiten übergreifend.

Lerngeschwindigkeit

Ein weiteres Experiment zeigte, dass sich die beiden Hirnhälften in ihren Lernvorgängen stören, wenn auf den einzelnen Antennen gleichzeitig unterschiedliche Lernaufgaben zu bewältigen waren. Während seiner Untersuchungen konnte eine interessante Verhaltensbeobachtung gemacht werden: Bienen können lernen, schneller zu lernen - mit steigender Zahl gleicher Problemstellungen lösen sie die Aufgabe schneller. Dabei lernt die Biene keine abstrakten Regeln, vielmehr ändert sich etwas am Gesamtzustand der Biene, genauer gesagt, am Zustand ihres Nervensystems, was sich allgemein mit dem Begriff „Aufmerksamkeit“ beschreiben lässt.

Räumliches Riechen

Es wird angenommen, dass Bienen dreidimensional riechen können und sich entsprechend im „Duftraum“ orientieren - die Möglichkeiten dazu wären durch die Seiten übergreifende Duftverarbeitung gegeben.

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