Navigieren durch Geruchswolken

16. November 2010, 20:02
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An Schaben erforschen Neurobiologen, wie Insekten noch so ferne Duftquellen orten und sich anhand von Geruchsmustern orientieren können.

Der Geruchssinn spielt im Leben sehr vieler Organismen eine wichtige Rolle - sei es bei der Suche nach Nahrung oder auf der Flucht vor Fressfeinden, um Konkurrenten aus den eigenen Reihen zu entgehen oder aber bei der Partnerwahl. Eine besonders starke Wirkung haben die Sexuallockstoffe bei Schmetterlingen. So reagieren männliche Seidenspinner selbst dann auf das Duftsignal eines Weibchens, wenn in einem Kubikzentimeter Luft nicht mehr als 200 Moleküle davon enthalten sind. Wenn wir 100 Liter des reinen Sexuallockstoffes in allen Weltmeeren verteilten, dann wäre, wie der deutsche Biologe Werner Nachtigall einmal dargelegt hat, die gleiche geringe Menge von Duftmolekülen in einem Kubikzentimeter Meereswasser vorhanden.

Die hohe Empfindlichkeit für geringe Duftkonzentrationen weist den Geruchssinn als Fernsinn aus. Sogar in unserer Wohnung lassen sich mit reifen Früchten oder durch mit Essig marinierten Salat innerhalb kurzer Zeit Fruchtfliegen anlocken. Diese alltägliche Beobachtung mag auf den ersten Blick nicht sehr spektakulär erscheinen, tatsächlich liegen ihr außergewöhnliche Fähigkeiten zugrunde. Nicht nur für Insekten, auch für höher organisierte Tiere ist es überlebenswichtig, zielstrebig - und somit vor den anderen - zu einer Nahrungsquelle oder zu einem Sexualpartner zu gelangen. Wie aber ortet ein Tier die Duftquelle?

Wie zahlreiche Untersuchungen gezeigt haben, treten Gerüche sowohl in der Luft als auch im Wasser nicht als einheitliche, kompakte Duftfahnen auf, sondern sind vielmehr patchworkartig gestaltet: Orte mit hoher Duftkonzentration wechseln sich mit Bereichen neutraler Luft ab. Ein Insekt muss bei der Orientierung zur Duftquelle nicht nur die Konzentrationshöhen von den Konzentrationstiefen unterscheiden können, sondern auch erkennen, ob es nur in ein Konzentrationstal geraten ist oder aber die Duftfahne verlassen hat und sich immer weiter von der Quelle entfernt. Aber sogar mittendrin scheint es dem Insekt infolge der ständig auftretenden Konzentrationsänderungen nur mit zusätzlichen Informationen möglich zu beurteilen, ob es sich auf eine Duftquelle zu oder von ihr weg bewegt.

Wie die Tiere das machen, erforscht Harald Tichy vom Department für Neurobiologie der Universität Wien in einem Projekt des Wissenschaftsfonds FWF an Amerikanischen Schaben (Periplaneta americana), die bis zu vier Zentimeter lang werden. Schaben sind nicht nur leicht zu züchten und zu halten, sie orten vor allem ihr Futter auch in windgeschützten menschlichen Behausungen. "Bis jetzt ist man immer davon ausgegangen, dass Insekten eine Geruchsquelle mithilfe des Dufts und der Windrichtung lokalisieren", sagt Tichy, "Vorratsschädlinge wie die Schaben finden ihre Nahrung aber auch in windstillen Räumen."

Olfaktometer 

Tichy und seine Mitarbeiter haben für ihre Experimente eigens ein Olfaktometer entwickelt, mit dem sich fluktuierende Änderungen der Duftkonzentration erzeugen lassen. Dabei strömt gereinigte Luft durch zwei 25-Liter-Tanks, in denen jeweils Duftstoffe und neutrale Luft enthalten sind. Durch Änderung des Mischungsverhältnisses werden Konzentrationsänderungen erzeugt, wie sie auch in der Natur vorkommen. Als Geruch dient Zitronenöl, das sehr attraktiv auf Schaben wirkt. Wie sich herausstellte, erkennen Schaben, die von einem Moment zum anderen in einer Duftfahne auftretenden Änderungen der Duftkonzentration sowie die Geschwindigkeit, mit der sie sich ändern. Dafür verantwortlich sind zwei Typen von Geruchsrezeptoren an den Antennen der Insekten: On- und Off-Rezeptoren.

Bei den On-Rezeptoren handelt es sich um die schon bekannten Geruchsempfänger, die aktiv werden, wenn ein Duftsignal auftritt. Die Off-Variante hingegen wurde von Tichy und seiner Gruppe das erste Mal beschrieben und tritt dann in Aktion, wenn das Duftsignal fehlt. Die beiden Reizempfänger reagieren nicht spiegelbildlich: Der Off-Rezeptor ist bemerkenswerterweise für eine Geruch-Abnahme empfindlicher als der On-Rezeptor für die Zunahme. Das Eintreten in eine Konzentrationssenke löst somit stärkere Reaktionen aus als das Eintreten in eine Konzentrationshöhe - die On- und Off-Rezeptoren verstärken den Kontrast des Duftsignals.

"Eine Duftwolke, die sich von der Duftquelle - sagen wir reifen Zitrusfrüchten - entfernt, ändert ihre Struktur", erklärt Tichy. "Hochkonzentrierte Duftpakete mischen sich mit neutraler Luft zu einem räumlichen Geruchsmuster. Ein Insekt, das sich der Duftfahne einer Quelle nähert, empfängt dieses räumliche Muster als ein zeitliches und ermittelt daraus die Richtung zum Ursprung des Duftes." Es ist denkbar, dass auch höher organisierte Tiere, wie Vögel und Säuger, auf diese Weise in einem Geruchsfeld navigieren - um das nachzuweisen, gibt es jedoch noch viel zu tun. (Susanne Strnadl/DER STANDARD, Printausgabe, 17.11.2010)

 

  • Bis zu vier Zentimeter lang wird die Amerikanische Schabe, die sich durch ein ausgezeichnetes Gespür für Duftnoten auszeichnet. Besonders ansprechend findet sie Zitronenöl - mit dessen Hilfe die Forscher nun einen neuen Geruchsrezeptor fanden.
    foto: wikimedia

    Bis zu vier Zentimeter lang wird die Amerikanische Schabe, die sich durch ein ausgezeichnetes Gespür für Duftnoten auszeichnet. Besonders ansprechend findet sie Zitronenöl - mit dessen Hilfe die Forscher nun einen neuen Geruchsrezeptor fanden.

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