Studium der Reaktion von Insekten auf kurzfristige Klimaereignisse

Das CLIMINSECTS-Projekt (The effect of expected climate change on insect performance: physiology, behaviour and life history) entstand aus der Beobachtung, dass Insekten auf den Klimawandel sehr anpassungsfähige Reaktionen zeigen.

Anders als bei Säugetieren oder Vögeln kann das Verhalten von Insekten durch plötzliche und kurzfristige Temperaturveränderungen beeinflusst werden, was auch als Varianz der Klimamerkmale bekannt ist. Dies bedeutet, dass die jährlichen oder monatlichen Veränderungen, auf die sich andere Studien normalerweise beziehen, im Fall von Insekten meist keine Relevanz besitzen.

Dr. Inon Scharf, der das Projekt an der Universität Tel Aviv koordiniert, diskutiert die ersten Ergebnisse seiner Studie mit Mehlkäfern, Insekten, die von der Universität in den vergangenen 100 Jahren gesammelt wurden, und zusätzlichen räuberische Insektenarten, die bereits im Rahmen anderer Projekte im Labor untersucht wurden.

Warum ist es so wichtig, mehr über die Auswirkungen der Umweltvarianz auf Insekten zu wissen?

Varianz ist aus verschiedenen Gründen sehr wichtig. Zunächst drückt sich die globale Erwärmung nicht nur in der Erhöhung der jährlichen Durchschnittstemperatur aus, sondern auch im vermehrten Auftreten von Extremereignissen wie Hitzewellen. Daher ist es wichtig zu untersuchen, wie eine plötzliche Temperaturänderung, auch wenn diese nur einen begrenzten Zeitraum lang erfolgt, das Verhalten der Insekten beeinflusst.

Zweitens erleben Insekten täglich Temperaturveränderungen, manchmal über eine sehr kurze Zeit, so dass die jährlichen oder sogar monatlichen Temperaturen, die in solchen Studien in der Regel genannt werden, von geringerer Bedeutung sein könnten. Drittens leben Insekten kürzer als die meisten Wirbeltiere und damit können auch relativ kurze Extremereignisse erhebliche Folgen für das Verhalten und die Reaktion der Insekten haben.

Die Varianz der Antwortmerkmale ist ebenfalls wichtig. Ökologen waren lange Zeit vor allem an durchschnittlichen Reaktionen auf verschiedene Faktoren interessiert und behandelten die Varianz bei Reaktionsvariablen als "Rauschen". Allerdings ist diese Abweichung sehr wichtig, wenn man versucht, das Potenzial für eine evolutionäre Veränderung zu verstehen. Wenn Individuen mehrmals getestet werden, ist es nicht belanglos, ob und in welchem Umfang sie ihre Reaktion wiederholen können (beispielsweise immer besser oder schlechter als der Durchschnitt zu reagieren), ob Weibchen und Männchen ähnlich reagieren, und inwiefern Alter und Stressoren, die auf Gruppen von Individuen einwirken, eine derartige Varianz auslösen.

Welche Auswirkungen haben Sie vor allem untersucht und warum?

Wir haben uns drei Fragen gestellt: Wie wird die Fähigkeit von Insekten, ungünstige warme oder kalte Temperaturen zu tolerieren, durch andere Stressquellen, wie etwa Hunger und Alter, beeinflusst? Inwiefern beeinflussen verschiedene Temperaturen, denen Insekten als Larven und Adulti ausgesetzt sind, ihre Toleranz gegenüber extremer Kälte und Hitzeschock, Überleben unter Hunger und Reproduktion, und wie beeinflusst wiederholte thermische Belastung das Verhalten der Insekten? Ist die Verringerung ihrer Körpergröße als eine mögliche Reaktion auf die laufende globale Erwärmung zu verstehen?

Die Beantwortung der ersten Frage ist wichtig, weil Insekten in komplexen Umgebungen leben und gleichzeitig mehrere Stressquellen bewältigen müssen. Zu studieren, wie gut sie thermischen Stress bewältigen, ist wichtig, um das Spektrum der Reaktionen auf ungünstige Klimabedingungen besser zu verstehen, was auch von anderen Umweltaspekten abhängt. Gleichermaßen ist das wichtig, um zu verstehen, wie Tiere zwischen verschiedenen Anforderungen abwägen.

Die zweite Frage stellte sich, da thermische Belastung während der verschiedenen Lebensphasen zu unterschiedlichen Ergebnissen führen kann. Während eine milde Exposition gegenüber ungünstigen Temperaturen während des Erwachsenenstadiums oft zu einer vorteilhaften Akklimatisierung an härtere Temperaturen führt, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Exposition gegenüber ungünstigen Temperaturen während der Wachstumsphase eine positive Wirkung hat. Diese Frage ist wichtig, nicht nur im Kontext des Klimawandels, sondern auch um zu verstehen, ob einige Lebensstadien kritischer sind als andere.

In Bezug auf die dritte Frage glauben viele Forscher derzeit, dass die Körpergröße als Reaktion auf die globale Erwärmung abnimmt, während andere daran zweifeln, dass es sich hierbei um eine allgemeine und universelle Reaktion handelt. Während diese Abnahme bei Säugetieren und Vögeln bereits untersucht worden ist, ist darüber bei Insekten fast nichts bekannt, und das trotz der Tatsache, dass Insekten den größten Anteil an Biomasse und Arten auf der Erde ausmachen.

Wie sind Sie vorgegangen, um diese Fragen zu beantworten?

Erstens haben wir ein System von Mehlkäfern im Labor. Dies sind Schädlinge, die in Lebensmittellagern anzutreffen sind, vor allem in der Dritten Welt. Sie sind leicht zu züchten und lassen sich einfach im Labor halten. Ihre kurze Generationszeit ermöglicht eine relativ schnelle Anpassung und Reaktion auf Umweltveränderungen und sie sind Kaltblüter: das Klima beeinflusst sie stärker als Warmblüter, die ihre Körpertemperatur regulieren können. Wir haben die Käfer unter verschiedenen thermischen Bedingungen herangezogen, haben verschiedene Verhaltensreaktionen, physiologische Reaktionen und solche auf die Lebensgeschichte getestet. Wir haben sie altern und hungern lassen und wiederholt einem Temperaturstress ausgesetzt. Es ging darum, die Wirkung der oben genannten thermischen Toleranz und andere Eigenschaften im Zusammenhang mit der ökophysikalischen Leistung wie etwa Aktivität, Paarungsverhalten, Reproduktion und Überleben zu studieren.

Neben diesen Laborexperimenten erhielten wir auch den Zugang zu der großen Insektensammlung der Universität Tel Aviv (ein Teil des Steinhardt Museum of Natural History), mit mehreren Millionen Exemplaren, die in den letzten rund 100 Jahren gesammelt wurden. Diese Sammlung erlaubte uns, die mögliche Abnahme der Körpergröße als Reaktion auf den Klimawandel zu studieren.

Schließlich haben wir laufende Projekte ins Labor verschoben. Vor allem jene zu räuberischen Insekten, die Fallen für die Jagd benutzen, etwa Fallgruben bauende Ameisenlöwen, um Aspekte der thermischen Ökologie mit einzubeziehen. Wir verglichen vor allem das Verhalten (kannibalisches Verhalten, zum Beispiel) von Insekten aus verschiedenen klimatischen Regionen in Israel. Es interessierte uns die Frage, wie das Klima das Verhalten im Allgemeinen beeinflusst.

Was sind Ihrer Ansicht nach die wichtigsten Ergebnisse der Forschung?

Wir konnten beobachten, dass sich die thermische Toleranz von Insekten mit fortschreitendem Alter und Hunger verschlechtert. Die Wirkung des Hungers ist jedoch reversibel. Dann bemerkten wir, dass Temperaturen während des Wachstums und der adulten Phase eine andere und manchmal auch kontrastierende Wirkung auf die thermische Toleranz haben.

Ein drittes Ergebnis ist, dass der wiederholte thermische Stress im Labor die Insekten in eine Art "Energieeinsparmodus", einen Resilienzmodus mit niedriger Aktivität und Reproduktion, aber mit einer besseren Verträglichkeit für die weitere Belastung versetzt. Es gibt einen Übergabeeffekt auf die Nachkommen von Eltern, die wiederholten Stress ausgesetzt waren. Ihre Nachkommen sind etwas kleiner.

Schließlich zeigt unsere Analyse der Proben aus über 100 Jahren im Gegensatz zu Säugetieren und Vögeln, dass die Körpergröße vermutlich nicht in Reaktion auf laufende Klimaveränderungen abnimmt. Wir konnten keine Abnahme der Körpergröße bei Käfern nachweisen und schlussfolgerten, dass diese "Regel", auch wenn sie für Säugetiere/Vögel gilt, für Käfer und mit aller Wahrscheinlichkeit auch für andere Insekten nicht gilt. Es könnte sein, dass die für Insekten typische phänotypische Plastizität — die ökologische Potenz, verschiedene Phänotypen durch den gleichen Genotyp und unter dem Einfluss der unmittelbaren Umgebungsbedingungen zu exprimieren — zu stark ist und die möglichen Auswirkungen des Klimawandels völlig mildert.

Wie werden sich Ihrer Ansicht nach und auf der Basis dieses Projekts die Insekten angesichts des Klimawandels weiterentwickeln und welche Folgen könnte das haben?

Das ist schwer zu sagen. Wir beschäftigen uns hauptsächlich mit den unmittelbaren phänotypischen Reaktionen auf den Klimawandel. Ich denke, dass unsere Arbeit vor allem zeigt, wie formbar Insekten sind, wenn sie mit Veränderungen fertig werden, und wie kurzfristige Bedingungen erhebliche und vielfältige Auswirkungen haben können. Meine Vermutung ist, dass Insekten härter sind als es scheint, und sie aufgrund ihrer starken Plastizität ganz gut überleben werden. Andere Forscher erwarten sogar eine Zunahme der Insektenleistung, weil Pflanzen mehr gestresst und weniger biochemische Verbindungen produzieren werden, um sich gegen die Insekten zu schützen, die sie fressen. Dies kann beunruhigende Auswirkungen auf Schädlinge und Landwirtschaft haben.

Im Allgemeinen und ohne direkte Verbindung zu unserer Forschung können die Auswirkungen des Klimawandels auf die Insekten hinsichtlich der Phänologie wichtig sein, wobei die zeitliche Verbindung zwischen dem Blühen der Pflanze und ihren bestäubenden Insekten negative Auswirkungen für beide und auf die Verteilungsbereiche verschiedener Arten haben könnte. Jene mit der geringsten Ausbreitungsfähigkeit, jene, die sehr kalte Gebiete bewohnen, und jene mit begrenztem Verteilungsbereich sind am meisten bedroht. Sie können nirgendwohin entkommen, während jene, die in warmen Gebieten leben, an Orte wandern können, die zuvor für sie zu kalt waren. Interessanterweise wachsen Insekten unter wärmeren Bedingungen schneller und durch steigende Temperaturen werden Insekten in der Lage sein, Lebensräume zu erobern, die derzeit noch nicht von ihnen bevölkert werden.

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