Bisher haben Forscher angenommen, dass die zyklische Atmung von Insekten wie Schmetterlingen, Ameisen, Käfern, Fliegen oder Schaben eine Anpassung an Wasserersparnis oder hohe Umgebungskonzentrationen an Kohlendioxid sind. Wissenschaftliche Experimente zeigten jedoch in der Vergangenheit widersprüchliche Ergebnisse. Stefan K. Hetz vom Institut für Biologie der Humboldt-Universität zu Berlin und Timothy J. Bradley haben nun eine andere Ursache für dieses Verhalten entdeckt. Wie die Forscher ermittelten, vermeiden einige Insektenarten durch die zyklische Atmung zu hohe und damit giftige Sauerstoffkonzentrationen in den Zellen.
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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. Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „nature“.
In ihrer Studie benutzten die beiden Forscher 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.
Sauerstoffgehalt in Tracheen viel geringer als in der Luft
Die Tiere reduzierten den Sauerstoffgehalt im Tracheensystem auf etwa ein Fünftel der normalen Luftkonzentration von 21 Prozent. Da die geringere 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 gesunken, 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 sechs und 50 Prozent variiert wurde.
Tiere vermeiden Schäden an Proteinen, Lipiden und der DNA
Die Forscher sehen in diesem Verhalten 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 hoher 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.
(idw – Humboldt-Universität zu Berlin, 09.02.2005 – DLO)
