30.01.2019 - Andreas Erhardt

Schmetterlinge als Modellorganismen

Neue Forschungen weisen schnelle Anpassung an veränderte Umweltbedingungen nach

Zu meinen Studienzeiten galten Schmetterlinge wohl als bunte, durchaus attraktive Lebewesen, allerdings ohne grosse Bedeutung für grundlegende wissenschaftliche Fragen und nur für ihre oft als etwas kauzig angesehenen Liebhaber von grösserer Wichtigkeit. Dass schon im 19. Jahrhundert an Schmetterlingen das Phänomen der Mimikry (das ist die evolutionäre Strategie einer Tierart, ihr Aussehen einer zweiten Tierart anzupassen, so dass sie von dritten Arten, beispielsweise Fressfeinden, nicht erkannt oder gemieden wird) vom englischen Naturforscher Henry W. Bates und dem deutschen Zoologen Fritz Müller entdeckt wurde, ging dabei vergessen.

In der Zwischenzeit hat sich dieses Bild stark gewandelt. Schmetterlinge sind zu Modellorganismen für verschiedenste Phänomene und Prozesse geworden. Beispielsweise

  • als Bioindikatoren für Landnutzung und Biodiversität oder

  • als klassisches Beispiel für das vom finnischen Biologen Ilkka Hanski entwickelte Metapopulationskonzept. Dieses zeigt, dass Populationen einer Art dynamisch interagieren, zeitweise aussterben und von benachbarten Populationen wieder neu gegründet werden.

Auch dass Arten auf die globalen Klimaveränderungen mit einer Verschiebung ihres Verbreitungsgebiets nach Norden und in höher gelegene Gebiete reagieren, wurde zuerst an Schmetterlingen nachgewiesen.

Kleines Wiesenvögelchen (Coenonympha pamphilus) besucht eine Margerite (Leucanthemum vulgare). Foto: © Gebhard Müller

Hier soll nun von einem weiteren Phänomen die Rede sein, das in der Wissenschaft schon seit längerem diskutiert wurde, bisher aber nicht nachgewiesen werden konnte. Schon vor mehr als zwanzig Jahren spekulierten Biologen, dass die Elterngeneration von Insekten Anpassungen an ihre eigenen Umweltbedingungen auf die Nachkommen übertragen könnten. Das postulierte Phänomen der Anpassung über die Generationen hinweg wird transgenerational acclimatization, genannt. Ein Nachweis für einen solchen epigenetischen Prozess konnte bisher allerdings nie erbracht werden.

Mit dem Kleinen Wiesenvögelchen (Coenonympha pamphilus), einem häufigen Schmetterling in nicht allzu intensiv genutzten Wiesen, ist uns nun ein solcher Nachweis geglückt. Tatsächlich konditionieren diese Schmetterlinge ihre Nachkommen auf die Qualität ihrer eigenen Larvalfutterpflanzen (Raupennahrung), in unseren Experimenten waren es gut gedüngte oder nicht gedüngte, magere Varietäten des Rotschwingels (Festuca pratensis), einer Gräserart. So werden aus Raupen, welche auf der gleichen Futterqualität aufgezogen werden, wie sie ihre Eltern hatten, grössere Falter als wenn die Futterqualität zwischen den Generationen wechselt. Überraschenderweise unterschieden sich dabei die Grössen der Falter von über zwei Generationen auf gedüngtem oder magerem Rotschwingel aufgezogenen Raupen nicht. Grössere Falter haben eindeutig einen grösseren Fortpflanzungserfolg. Doch das ist noch nicht der vollständige Befund.

Kleiner Kohlweissling (Pieris rapae) beim Blütenbesuch auf einer Witwenblume (Knautia arvensis). Foto © Gebhard Müller

Experimente mit dem Kleinen Kohlweissling (Pieris rapae) bestätigten nicht nur die Resultate, wie wir sie beim Kleinen Wiesenvögelchen gefunden hatten, sondern zeigten zudem, dass die Weibchen auch ihr Eiablageverhalten entsprechend der Futterqualität ändern, unter der sie sich als Raupen entwickelt hatten. Normalerweise bevorzugen Weibchen für die Eiablage gut gedüngten Kohl mit hohem Stickstoffgehalt. Werden die Weibchen aber als Raupe auf stickstoffarmem, magerem Kohl gehalten, so werden sie in ihrem Eiablageverhalten indifferent gegenüber der Kohlqualität, und wenn sie über zwei Generationen auf magerem Kohl aufgezogen werden, bevorzugen sie diesen Kohl für ihre Eiablage!

Die beiden Experimente zeigen nicht nur eine schnelle Anpassung von Schmetterlingen an sich ändernde Umweltbedingungen – im vorliegenden Fall an eine sich ändernde Qualität der Larvalfutterpflanze – sondern darüber hinaus eine gezielte Platzierung ihrer Nachkommen auf ebendiese veränderte Ressource und damit auch einen möglichen Weg für schnelle sympatrische Artbildung, bei der sich eine Fortpflanzungsbarriere innerhalb einer Population ohne gleichzeitige geografische Isolation entwickelt. Dieser Prozess wurde unter Biologen auch schon als Heiliger Gral der Biologie bezeichnet.

Der Autor Andreas Erhardt ist emeritierter Professor am Departement Umweltwissenschaften der Universität Basel. Eins seiner Forschungsgebiete sind Interaktionen von Schmetterlingen und Pflanzen. Er unternimmt regelmässig Fachexkursionen mit Jungforschern und Studierenden, untersucht die Gefahren für die Biodiversität und engagiert sich für Umweltschutz und gegen die Klimaerwärmung.

Gastautor: 
Andreas Erhardt
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