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Besser sehen oder riechen? Eine Kosten-Nutzen-Rechnung bei Essigfliegenarten

13.03.2019

Ein Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie hat Augen und Antennen und die damit verknüpften Hirnstrukturen von mehr als 60 Arten der Gattung Drosophila systematisch untersucht und verglichen. Sie fanden dabei eine große Variation, aber gleichzeitig enge Beziehung zwischen den beiden Sinnesmerkmalen: besonders große Augen und eine ausgeprägte visuelle Wahrnehmung sind immer mit einer weniger entwickelten Geruchswahrnehmung verknüpft und umgekehrt. Die Größe der Sinnesorgane steht dabei in Zusammenhang mit dem Verhalten bei der Partner- und Futtersuche.

Die Autoren um Ian Keesey, Markus Knaden und Bill Hansson hatten bei früheren Untersuchungen an der Schwarzbäuchigen Essigfliege Drosophila melanogaster und der Kirschessigfliege Drosophila suzukii, einer in Mitteleuropa relativ neuen Schädlingsart, unterschiedliches Verhalten beobachtet:


Anzucht der Essigfliegen im Labor für vergleichende Untersuchungen.

Anna Schroll

Während sich D. melanogaster bei der Futtersuche stärker von Gerüchen leiten ließ, spielte bei D. suzukii auch der Sehsinn eine wichtige Rolle bei der Nahrungssuche. Diese Verhaltensvorlieben spiegelten sich auch in der unterschiedlichen Größe der jeweiligen Sinnesorgane wider.

Aus dieser Beobachtung leiteten die Wissenschaftler die These ab, dass die Ausprägung des Seh- und Geruchssinns das Ergebnis eines sogenannten Trade-off ist. Mit diesem Begriff beschreibt die Biologie Nachteile, die ein Lebewesen in Kauf nimmt, um sich bei der Anpassung an die Umwelt Vorteile durch die Ausprägung anderer Eigenschaften zu verschaffen. Im Fall der Gattung Drosophila scheint ein solcher Trade-off bei der Ausprägung des Sehens und des Geruchssinnes stattzufinden.

Um ihre These zu überprüfen, untersuchten die Forscher die Ausprägungen von Augen und Antennen sowie die damit verbundenen visuellen und olfaktorischen Hirnstrukturen von insgesamt 62 Drosophila-Arten: „Die Gattung Drosophila bot uns eine viel größere Variation bei den Sinnesausprägungen als wir das von einer so kleinen und eng miteinander verwandten Gruppe von Insekten erwartet hätten.

Und es zeigte sich tatsächlich, dass Arten mit großen Augen kleine Nasen bzw. Antennen hatten, während Arten mit Nasen proportional kleinere Augen hatten“, sagt Erstautor Ian Keesey. Die Größe der Sinnesorgane wiederum spiegelt das bevorzugte Verhalten bei der Futter- oder Partnersuche wider. Fliegen mit großen Antennen lassen sich eher vom Geruch eines Futtersubstrates leiten, während Fliegen mit großen Augen eher visuellen Hinweisen folgen.

„Die detaillierte Analyse von Augen und Antennen half uns dabei, das ganze Spektrum des Trade-off zwischen Sehen und Riechen zu erfassen: Wir fanden Arten, die vorwiegend in das Sehen investiert hatten, Arten, bei denen Sehen und Riechen etwa gleichberechtigt sind, sowie Arten, die sich vorwiegend auf ihren Geruchssinn verlassen, aber keine der untersuchten Arten hatte sowohl große Augen als auch große Antennen“, erläutert Markus Knaden.

Für ihre Analysen rekonstruierten die Forscher die primären sensorischen Hirnstrukturen, die beim Sehen und Riechen eine Rolle spielen. Außerdem nutzten sie hochauflösende Mikroskopie, um die Sinnesorgane der verschiedenen Fliegenarten genauer unter die Lupe zu nehmen. “Ein Grund, warum die Tiere sich entweder für einen ausgeprägten Geruchs- oder Sehsinn entscheiden müssen, könnte der sein, dass in der embryonalen Entwicklung beide Sinnesorgane aus der gleichen Struktur hervorgehen, die nur eine begrenzte Anzahl an Zellen zur Verfügung stellen kann.

Der Wettbewerb um Ressourcen, der darüber entscheidet, welches der beiden Sinnesorgane sich stärker ausprägt, findet also schon in einem frühen Entwicklungsstadium statt“, führt Bill Hansson der Leiter der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie aus.

Ein wichtiges Ergebnis der Studie ist, dass genetische Eigenschaften miteinander verknüpft sind. Ändert sich die eine, hat dies auch Auswirkungen auf andere. Manche Eigenschaften sind allerdings weniger leicht zu verändern, insbesondere wenn sie an andere gekoppelt sind „Es ist faszinierend, dass zwei so gut untersuchte Sinne, wie das Sehen und das Riechen, umgekehrt miteinander korrelieren. Wir vermuten daher, dass der Selektionsdruck im Laufe der Evolution dafür gesorgt hat, dass die unterschiedlichen Fliegenarten den einen Sinn gegenüber dem anderen vorziehen“, meint Ian Keesey.

Mit ihrer Studie wollen die Wissenschaftler neue Wege in der sogenannten Eco-Evo-Devo-Forschung eröffnen. Dieses Forschungsfeld basiert auf der Annahme, das Konzepte der Ökologie (Eco), Evolution (Evo) und der Entwicklungsbiologie (Devo) eng miteinander verknüpft sind und dass das Verständnis ökologischer Zusammenhänge auch evolutions- und entwicklungsbiologische Kenntnisse voraussetzt und umgekehrt.

Für viele Arten liegen zwar genomische Daten vor, aber es fehlt häufig das Wissen über ihre Ökologie. „Diese Trade-offs, besonders in genetischen Modellorganismen, bieten uns die Möglichkeit, die Mechanismen zu verstehen, wie Ökologie und Entwicklung die natürliche Welt prägen“, sagt Ian Keesey.

Die Wissenschaftler möchten auch andere Forschergruppen ermutigen, sich nicht die allseits bekannte Drosophila melanogaster anzuschauen, sondern bei ihren Untersuchungen mehr Arten dieser Gattung hinzuziehen. Die umfangreichen Datensätze stehen dafür allen in der Max-Planck-Datenbank Edmond (https://edmond.mpdl.de) für Vergleiche mit weiteren Drosophila-Arten der gesamten Gattung zur Verfügung.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Markus Knaden, Tel. +49 3641 57 1421, E-Mail: mknaden@ice.mpg.de, Max- Planck-Institut-für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07745 Jena

Originalpublikation:

Ian W. Keesey, Veit Grabe, Lydia Gruber, Sarah Koerte, George F. Obiero, Grant Bolton, Mohammed A. Khallaf, Grit Kunert, Sofia Lavista-Llanos, Dario Riccardo Valenzano, Jürgen Rybak, Bruce A. Barrett, Markus Knaden & Bill S. Hansson (2019) Inverse resource allocation between vision and olfaction across the genus Drosophila. Nature Communications 10, https://doi.org/10.1038/s41467-019-09087-z

Angela Overmeyer | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Weitere Informationen:
http://www.ice.mpg.de/

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