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Text von Freitag, 16. Februar 2007


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 Heuschrecken: Landkarte dank Lichtpeilung 
 Marburg * (fjh/pm)
Noch immer gibt das Orientierungsvermögen der Heuschrecken Rätsel auf. Während man früher glaubte, sie ließen sich auf ihren Tausende Kilometer langen Wanderungen vor allem vom Wind treiben, gilt inzwischen als wahrscheinlich, dass sie sich an der Sonne und an polarisiertem Himmelslicht orientieren. Darüber hinaus hat der Marburger Neurobiologe Prof. Dr. Uwe Homberg nun nachgewiesen, welcher Mechanismus im Gehirn der Wüsten-Heuschrecke "Schistocerca gregaria" der Verarbeitung polarisierten Lichts zugrunde liegt.
In Windkanal-Versuchen konnten Homberg und seine Mitarbeiter zudem erstmals belegen, dass die Erkennung und neuronale Verrechnung der Polarisationsdaten das Verhalten der Tiere tatsächlich beeinflusst. Über seine Ergebnisse berichtet Homberg jetzt gemeinsam mit seinem Doktoranden Stanley Heinze im internationalen Fachjournal "Science". Die Veröffentlichung unter dem Titel "Maplike Representation of Celestial E-vector Orientations in the Brain of an Insect" erscheint am Freitag (16. Februar).
"Das polarisierte Licht, dessen Eigenschaften den Heuschrecken zur Orientierung dienen, wird im so genannten Zentralkomplex des Heuschrecken-Gehirns verarbeitet", erklärte Homberg seine Entdeckung. In dieser auffallend geordneten Struktur gebe es zahlreiche Neurone, die auf die Schwingungsrichtung von Lichtwellen reagieren.
Homberg untersuchte insbesondere die Protocerebralbrücke: Wie bei allen Insekten finden sich hier Neuronen in einer Reihe von sechzehn säulenartigen Kompartimenten, sogenannten "Kolumnen".
"Bislang allerdings war deren Funktion unklar", sagte Homberg. "Wir haben nun nachgewiesen, dass jede Säule auf unterschiedliche Polarisationsrichtungen reagiert."
Jede Säule deckt einen Winkel-Bereich von etwa 26 Grad ab. Insgesamt werde dabei eine vollständige 360-Grad-Erfassung erreicht.
"Die Aktivität einer bestimmten Säule gibt dem Tier also an, wie es relativ zur Sonne orientiert ist", schließt Homberg.
Mit der Erkennung von Polarisationsmustern verfügen Heuschrecken - aber auch andere Insekten wie Bienen oder Ameisen - über ein außergewöhnliches sensorisches Instrumentarium. Mittels der "dorsalen Rand-Region" des Auges - einem mit speziellen Photo-Rezeptoren ausgestatteten und himmelwärts gerichteten Teil des Auges - können sie am blauen Himmel "ablesen", in welcher Richtung sich die Sonne befindet, selbst wenn sie hinter Wolken verborgen ist.
Wenn ein Lichtstrahl auf das Auge trifft, können die Wellen von oben nach unten schwingen, von links nach rechts oder in beliebigen anderen Orientierungen. Wird aber Licht in der Erd-Atmosphäre gestreut, sodass es als blaues Licht des Himmels ankommt, bleibt an jedem Punkt des Himmels nur eine "Vorzugsrichtung" der Schwingung übrig. Diese Richtung kann von spezialisierten Foto-Rezeptoren im Auge und von Neuronen im Gehirn der Insekten detektiert werden.
Die eigentliche Orientierung der Heuschrecke erfolgt dann anhand des Sonnenstands. Selbst wenn sie in hohem Gras verborgen ist und die Sonne gar nicht sieht, kann die Heuschrecke nun deren Position herausfinden. Ein kleiner Himmels-Ausschnitt genügt ihr dafür. Denn sobald sie die Schwingungs-Ebene des Lichts erkennt, weiß sie auch, dass die Sonne senkrecht zu dieser Richtung zu suchen ist.
Sehr beeindruckend sei es, was die Heuschrecken damit leisten, meint Homberg: "Dass ein Insekten-Hirn tatsächlich über eine kartenartige Repräsentation elektrischer Feldvektoren am Himmel und über die entsprechenden Verrechnungsmechanismen verfügt, war bislang nicht bekannt."
Tatsächlich könne man nun davon ausgehen, dass die Insekten eine "Himmelskarte" errechnen, bei der den Polarisationsrichtungen am Himmel jeweils eine genau bestimmbare neuronale Struktur im Gehirn - eine Kolumne im Zentralkomplex - entspricht.
Noch unklar ist allerdings, wie die Kompensation der Tageszeit erfolgt. Denn der Sonnenstand verändert sich im Lauf des Tages,
sodass allein die Position der Sonne noch keine verlässliche Information über eine bestimmte Himmelsrichtung liefert.
"Darum führen wir nun weitere Versuche durch und untersuchen auch jene Neuronen, die sich von der Protocerebralbrücke bis zum Bauchmark der Insekten - dem Pendant zum menschlichen Rückenmark - erstrecken."
Das Bauchmark steuert die Flügel-Muskulatur der Tiere an. Spätestens hier also muss die vollständige Richtungsinformation einschließlich der Tageszeit-Kompensation vorliegen.
Neben der Entdeckung, in welcher Weise Heuschrecken-Gehirne polarisiertes Licht verarbeiten, konnte Homberg erstmals auch die entsprechende "Verhaltensrelevanz" nachweisen und damit belegen, dass die Ergebnisse dieser Verarbeitung von den Heuschrecken tatsächlich genutzt werden. "Dazu haben wir die Tiere in einem Windkanal fixiert, sodass sie zwar ihre Flügel bewegen konnten, dabei aber immer an der selben Stelle blieben", erklärte Homberg. "Mittels einer Polarisationsfolie, die wir über der Apparatur ausbreiteten, setzten wir die Tiere unterschiedlich polarisiertem Licht aus. Wir simulierten also unterschiedliche Sonnenstände."
Tatsächlich erwies sich, dass die Heuschrecken darauf reagierten: "Ein Drehmoment-Messer an der Aufhängung der Tiere zeigte, dass sie ihre Flugrichtung abhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts zu verändern suchten."
Hombergs Versuche finden bislang weitgehend im Labor statt, denn entsprechende Versuche in der freien Wildbahn sind mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.
"Einige der Probleme haben wir allerdings bereits gelöst", berichtet der Neurobiologe, der in ersten Freiland-Experimenten derzeit am Nachweis arbeitet, dass ein Ausschnitt des blauen Himmels tatsächlich genügt, um den Tieren den Weg zu weisen.
 
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