Länger leben mit weniger Sauerstoff

Insekten atmen zyklisch, um Probleme hoher Sauerstoffkonzentration in den Zellen zu verhindern, fand ein Wissenschaftler der Humboldt-Universität heraus

Bisher wurde angenommen, dass die zyklische Atmungstätigkeit vieler Insektengruppen wie Schmetterlingen, Ameisen, Käfern, Fliegen oder Schaben eine Anpassung an Wasserersparnis oder hohe Umgebungskonzentrationen an Kohlendioxid seien. Versuche zeigten jedoch in der Vergangenheit widersprüchliche Ergebnisse. Stefan K. Hetz vom Institut für Biologie der Humboldt-Universität zu Berlin und Timothy J. Bradley zeigen in einem in „nature“ veröffentlichten Artikel (Februar 2005, Ausgabe 433, Seite 516-519) hingegen, dass die vieldiskutierte zyklische Atmungstätigkeit einiger Insektenarten eine Strategie zur Vermeidung toxischer Sauerstoffkonzentration in den Zellen darstellt. Anders als Wirbeltiere benutzen Insekten kein „Blut“, sondern besitzen mit dem Tracheensystem ein sehr stark verzweigtes Röhrensystem im Tier mit welchem sie den Sauerstoff gasförmig bis direkt an die Zellen transportieren. Dieses Versorgungssystem, welches mit mehreren verschließbaren Atemventilen, den „Stigmen“ an der Körperoberfläche mündet, ist trotz seiner Andersartigkeit extrem leistungsfähig und erlaubt stoffwechselphysiologische Höchstleistungen im Insektenreich.

In ihrem „nature“-Artikel stellten die beiden Forscher, die sich im Rahmen eines Gastaufenthaltes von T. J. Bradley am Institut für Biologie kennen lernten, ihre neue Hypothese vor: Sie benutzten als Modellsystem die Puppen des Atlasspinners Attacus atlas, an denen sie mittels spezieller Sensoren über die Stigmen die Sauerstoffkonzentration und den Druck im Tracheensystem messen konnten. Über die Kohlendioxidabgabe wurde gleichzeitig die Atemtätigkeit registriert.

Die Tiere reduzierten den Sauerstoffgehalt im Tracheensystem auf etwa ein fünftel der normalen Luftkonzentration von 21 Prozent. Da die Reduktion der Sauerstoffaufnahme durch das Verschließen der Stigmen im Gegenzug zu einem Ansteigen der Kohlendioxidkonzentration führt, müssen die Tiere von Zeit zu Zeit ihr Tracheensystem vollständig durchlüften um das Kohlendioxid loszuwerden. Weil dadurch auch der Sauerstoffgehalt wieder sehr stark ansteigt, verschließen die Tiere ihre Stigmen danach wieder für bis zu einer Stunde, um den Sauerstoff durch die normale Atemtätigkeit abfallen zu lassen. Ist der Sauerstoff wieder auf ein Fünftel abgefallen, werden die Stigmen nur sporadisch geöffnet, um diese Konzentration aufrechtzuerhalten. Überraschend war für die beiden Forscher, dass die Tiere selbst dann diese sehr niedrige Konzentration aufrechterhalten, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Tiere künstlich zwischen 6 und 50 Prozent variiert wurde.

Die Forscher interpretieren dieses Verhalten als eine Maßnahme einiger Insekten, um bei sehr niedrigen Stoffwechselraten die Sauerstoffkonzentration in den Zellen gering zu halten. Sauerstoff wird zwar einerseits von den Lebewesen benötigt, kann aber andererseits in zu hohen Konzentration toxisch wirken und Proteine, Lipide oder die DNA schädigen. Das Tracheensystem muss jedoch sehr leistungsfähig sein, um bei hohen Stoffwechselleistungen (die Sauerstoffaufnahme kann dann bis auf das 100fache ansteigen) die Organe mit genügend Sauerstoff zu versorgen, ist aber bei sehr geringen Stoffwechselanforderungen „überdimensioniert“, weshalb die bisher untersuchten Insekten das diskontinuierliche Atemverhalten auch nur bei geringen Stoffwechselraten zeigen.

Informationen:
Dr. Stefan K. Hetz, Institut für Biologie/Tierphysiologie
Telefon: [030] 2093 6178
Fax: [030] 2093 6375
E-Mail: Stefan.k.hetz@rz.hu-berlin.de

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Dr. Angela Bittner idw

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