Das Nervensystem von Insekten: Aufbau und Funktion

Insekten, anders als Wirbeltiere, besitzen kein Innenskelett, sondern ein spezialisiertes Verdauungssystem. Ihr Nervensystem ist ebenso einzigartig und vielfältig. Dieser Artikel beleuchtet den Aufbau und die Funktion des Nervensystems von Insekten und vergleicht es mit anderen Tiergruppen.

Allgemeine Grundlagen des Nervensystems

Das Nervensystem (NS) ist ein komplexes Netzwerk aus Nervenzellen (Neuronen), die durch vielfältige Verbindungen miteinander kommunizieren. Neuronen empfangen Reize chemischer, mechanischer oder elektrischer Natur und wandeln diese in elektrische Erregung um. Diese Erregung wird in Form schwacher elektrischer Ströme über lange Zellfortsätze an andere Zellen weitergeleitet. Eine einzelne Nervenzelle kann bis zu 10.000 Verbindungen mit anderen Neuronen eingehen.

Das Nervensystem dient der Wahrnehmung von Reizen mithilfe von Sinneszellen (Rezeptoren), der Verarbeitung und Speicherung von Informationen und der Steuerung von Verhaltensweisen sowie der Funktionsweise innerer Organe.

Evolution des Nervensystems

Mit der Entwicklung des zweiseitig (bilateral) symmetrischen Körperbaus und der damit einhergehenden Kopfausbildung (Cephalisation) fand eine fortschreitende Zentralisation des Nervensystems statt. Auch die gerichtete Fortbewegung spielte eine wesentliche Rolle bei dieser Entwicklung. 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 vom Gehirn ausgehen. Markstränge sind Bündel von Nervenfasern, die längs am Körper verlaufen und die Hauptleitungen für die Übertragung elektrischer Impulse zwischen Gehirn und PNS darstellen. Sie enthalten 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 Nervensystem enthält Nerven, die Informationen vom ZNS zu den Endorganen leiten oder umgekehrt von den Sinnesorganen zum ZNS.

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Nervensysteme verschiedener Tiergruppen im Vergleich

Hohltiere (Cnidaria)

Den einfachsten Typ eines Nervensystems findet man bei den Nesseltieren (Cnidaria). 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, wobei die Informationsleitung in beide Richtungen stattfindet. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Ausbreitung der Erregung von jedem beliebigen Punkt im Netzwerk aus. Eine zentrale neuronale Verarbeitungsstelle existiert nicht, was nur eine geringe oder keine zentrale Steuerung des Organismus ermöglicht.

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 von den Nervenringen weg führen Nervenstränge zu den Sinnesorganen, und häufig kommt es an der Basis jedes Sinnesorgans zur Ganglionbildung.

Stachelhäuter (Echinodermata)

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. Sie besitzen ein radiärsymmetrisches Nervensystem.

Plattwürmer (Plathelminthes)

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 PNS besteht aus einem Strickleiternetz.

Das ZNS der Plattwürmer besteht aus dem kleinen Gehirn (Cerebralganglion) und insgesamt acht Marksträngen, welche 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.

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Schlauchwürmer (Nematoda)

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.

Ringelwürmer (Annelida)

Das Nervensystem der Ringelwürmer (Annelida) lässt sich schematisch aus dem der Plattwürmer herleiten. So gesehen erfolgte eine Verstärkung der beiden Bauchstränge und eine Reduktion der übrigen 6 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 2 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 (Mollusca)

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. sensorische Zentren sind.

Den höchsten Grad der Gehirnbildung 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 aus. Am Kopf befinden sich leistungsfähige Augen mit Linsen, welche von innen durch Knorpelgewebe umschlossen und geschützt werden. Besonders Kraken gehören zu den intelligentesten wirbellosen Tieren. Sie sind in der Lage, gezielt Gegenstände aus verschlossenen Gläsern mit Schraubverschluss herauszuholen. Damit gelten sie als intelligenter als beispielsweise 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. Die Tiere lernen z. B.

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Das Nervensystem der Insekten (Insecta)

Das Zentralnervensystem der Gliederfüßer, zu denen auch die Insekten gehören, ähnelt in der Grundkonstruktion dem Bauchmark der Ringelwürmer. Entsprechend den hoch entwickelten Sinnesleistungen und dem komplexen Verhaltensrepertoire sind übergeordnete Strukturen stärker ausgebildet. Neben dem Gehirn, das durch die Verschmelzung von Ganglien im Kopfbereich entsteht, 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 (Längsstränge) 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.

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 Nervensystem der Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) als Modell

Die Fruchtfliege Drosophila melanogaster ist ein wichtiges Modellsystem in der Genetik und Neurobiologie. Ihr vergleichsweise einfaches Nervensystem ermöglicht es, komplexe Verhaltensweisen zu untersuchen. Das Gehirn der Fruchtfliege ist nur etwa 250 Mikrometer lang und enthält schätzungsweise 100.000 bis 200.000 Neuronen, verglichen mit den 86 Milliarden Neuronen im menschlichen Gehirn.

Das Zentralnervensystem der erwachsenen Fliege besteht aus einem Oberschlundganglion, einem Unterschlundganglion, einem ventralen Nervenstrang und dem stomatogastrischen Nervensystem.

• Oberschlundganglion: Der größte Nervenknoten des zentralen Nervensystems, der über dem Schlund liegt und in seiner Funktion dem Gehirn bei Wirbeltieren entspricht. Es ist wichtig für das Lernen und umfasst drei Abschnitte, darunter das Protocerebrum.
• Protocerebrum: Das Verarbeitungszentrum aller höheren Sinnesfunktionen und das Steuerzentrum der meisten komplexeren Verhaltensweisen. Hier befinden sich die optischen Loben für die visuelle Verarbeitung und der Pilzkörper.
• Pilzkörper: Spielt eine wichtige Rolle beim Duft-Lernen und der Übersetzung von Sensorik in Motorik. Es ist an der Entscheidung beteiligt, wie sich ein Tier verhält.
• Unterschlundganglion:
• ventralen Nervenstrang: Funktionell entspricht der ventrale Nervenstrang dem Rückenmark bei Wirbeltieren.
• stomatogastrischen Nervensystem: Es ist ein aus Ganglien und Nerven zusammengesetztes System. Die Teile des stomatogastrischen Nervensystems sind sowohl mit dem Gehirn als auch untereinander verbunden. Es versorgt Mundhöhle, Vorderdarm und bestimmte Hormondrüsen. Es ist wichtig für die Futteraufnahme und Verdauung.

Sensorische Fähigkeiten der Fruchtfliege

• Sehen: Die Netzhaut von Fruchtfliegen kann den so genannten e-Vektor von polarisiertem Licht ausmachen, was ihnen hilft, sich an der Sonne zu orientieren.
• Riechen: Mit Hilfe von chemosensorischen Rezeptoren der Antennen können Fruchtfliegen Kohlendioxid (CO2) wahrnehmen.
• Tastsinn: Fruchtfliegen können Luftströmungen wahrnehmen. Schwankungen in der Luftströmung am Geruchsorgan beeinflussen bei ihnen die Geruchswahrnehmung und helfen den Insekten möglicherweise, die Quelle von Gerüchen auszumachen.

Lernen und Gedächtnis bei Fruchtfliegen

Der Pilzkörper im Gehirn der Fruchtfliege spielt eine zentrale Rolle beim Lernen, insbesondere beim Duft-Lernen. Die Geruchsinformation wird in ein paar hundert Neuronen im Antennenlappen kodiert und dann in den Pilzkörper projiziert, wo sie auf 4.000 Kenyon-Zellen trifft. Pro Geruch werden jedoch nur wenige Kenyon-Zellen aktiv. Diese Kenyon-Zellen bilden sehr viele Synapsen mit Ausgangsneuronen des Pilzkörpers, und diese Synapsen verändern sich, wenn etwa auf einen Duft eine Belohnung wie Zuckerwasser folgt.

Abstoßende und anziehende Düfte

Insekten nutzen ihren Geruchssinn, um Futter, Feinde oder Paarungspartner zu finden. Kohlendioxid ist ein wichtiger Botenstoff. Interessanterweise lehnen Fliegen ihn ab und fliehen, während Mücken ihn nutzen, um Menschen bzw. Tiere zum Stechen und Blutsaugen aufzuspüren. Die unterschiedliche Wahrnehmung von CO2 wird intensiv untersucht, da man hofft, 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 können.

Die Rolle von Genen bei der Steuerung des Verhaltens

Gene kontrollieren den Aufbau von Nervensystemen, und der Aufbau von Nervensystemen kontrolliert das Verhalten. Gene und ihre Produktionsmuster, wie auch Nervensysteme und Verhaltensweisen, unterliegen den Regeln der Evolution. Die Arbeitsgruppe von Ilona Grunwald-Kadow am Max-Planck-Institut für Neurobiologie erforscht den Geruchssinn und die Verarbeitung von Gerüchen im Gehirn von Insekten. Konkret wollen die Wissenschaftler verstehen, wie Gene den Aufbau eines Nervensystems kontrollieren, welches Gen ein bestimmtes Verhalten steuert. Die Gruppe hat untersucht, wie Gene - über ihre Bildung oder Nicht-Bildung - bestimmen könnten, wie sich ein Insekt nach Duftkontakt verhalten wird.

Das Verdauungssystem der Honigbiene (Apis mellifera)

Ein spezialisiertes Verdauungssystem kennzeichnet alle Insekten. Die Speiseröhre führt in die Honigblase, die als Transportbehälter für Nektar und Wasser dient. Stoffe können jederzeit wieder ausgewürgt werden. Die Honigblase kann etwa 60mm3 Nahrung aufnehmen. Eine Biene muss etwa 1500 Kleeblüten aufsuchen, um die Honigblase zu füllen. Bei Nahrungsbedarf gelangt die notwendige Nahrung aus der Honigblase in den Mitteldarm, wo die Nährstoffe ins Blut gelangen. Eine Honigbiene darf während des Sammelflugs keinen Kot abgeben. Sie erlaubt aus Hygienegründen kein Abkoten. Der gesamte innere Bienenkörper wird von der Hämolymphe umflossen, die ständig in Bewegung ist und die Organe umgibt. Die Hämolymphe ist mit den inneren Organen verbunden und kann diese zusammendrücken. Die Honigbiene besitzt ein System an Sinnesorganen, das bei der Königin und Arbeiterin gut entwickelt ist, während es beim Drohn weniger stark ausgeprägt ist.

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