Ameisenlarven steuern elterliche Fürsorge mit Duftsignal

Ein Brutpheromon unterdrückt vorübergehend die Ablage weiterer Eier bei den erwachsenen Tieren

Auf den Punkt gebracht

• Brutpheromon MEHMP: Die Larven der klonalen Räuberameise Ooceraea biroi produzieren einen spezifischen Duftstoff (Methyl-3-ethyl-2-hydroxy-4-methylpentanoat, MEHMP), der die Eiablage erwachsener Arbeiterinnen unterdrückt. Synthetisches MEHMP hemmt die Fortpflanzung der erwachsenen Ameisen auch ohne physischen Kontakt.
• Aktive Mitglieder der Kolonie: Die Larven steuern das Verhalten der erwachsenen Tiere aktiv, indem sie die Brutpflege und die Fortpflanzung durch chemische Kommunikation aufeinander abstimmen.

Die Lise-Meitner-Gruppe Sozialverhalten unter der Leitung von Yuko Ulrich forscht an einer besonderen Ameisenart, der klonalen Räuberameise Ooceraea biroi. Bei dieser Ameisenart gibt es keine Königin. Stattdessen können sich alle Arbeiterinnen asexuell ohne Paarung fortpflanzen, ein Prozess, der als Parthogenese bekannt ist.

Bei den meisten sozialen Insekten hingegen legen die Königinnen die Eier, während sich die Arbeiterinnen um die Brut kümmern. Die Rollen sind klar verteilt und ein Wechsel zwischen Eiablage und Brutpflege findet nicht statt. Bei Ooceraea biroi hingegen sind alle Weibchen sowohl zur Fortpflanzung als auch zur Brutpflege fähig und die Kolonien wechseln zwischen diesen beiden Phasen. „Wir wollten wissen, welche Faktoren den Fortpflanzungszyklus, also den Wechsel zwischen den Phasen der Eiablage und der Pflege des Nachwuchses, in unserem Ameisensystem regulieren“, erklärt der Erstautor Baptiste Piqueret.

Chemische Signale statt Berührung

Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass die Anwesenheit von Larven für die Regulierung des Eiablageverhaltens erwachsener Ameisen entscheidend ist. Es war jedoch unklar, ob sich die Larven die elterliche Fürsorge durch physischen Kontakt, Verhalten oder chemische Signale sichern und das Legen weiterer Eier verhindern. „Da wir wissen, dass Ameisen einen sehr ausgeprägten Geruchssinn haben, vermuteten wir, dass die Larven einen ein chemisches Signal freisetzen, der die Eiablage hemmen könnte“, sagt Yuko Ulrich.

Diese Überlegungen motivierten das Forschungsteam, nach einem spezifischen chemischen Signal zu suchen, das von den Larven ausgesendet wird. Dazu sammelten die Forschenden flüchtige chemische Verbindungen, die in den verschiedenen Entwicklungsstadien der Ameisen – vom Ei über die Larve und die Puppe bis zur erwachsenen Ameise (Imago) – abgegeben wurden. Sie identifizierten eine Verbindung, die ausschließlich von den Larven abgegeben wurde: die flüchtige chemische Substanz Methyl-3-ethyl-2-hydroxy-4-methylpentanoat (MEHMP). „Die größte technische Herausforderung bestand darin, diese Verbindung in extrem geringen Mengen nachzuweisen und sie so zu synthetisieren, dass wir sie experimentell testen konnten, um schließlich ihre Rolle als Pheromon zu bestätigen“, sagt Yuko Ulrich.

Erstmalig beschriebenes Brutpheromon von Larven steuert Fruchtbarkeit der Eltern

Um den Einfluss körperlicher Berührungen auszuschließen, entwarfen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein experimentelles Setup, in dem die Ameisen die Larven zwar riechen, aber nicht berühren konnten. In Verhaltensexperimenten setzten sie die Ameisen außerdem synthetisiertem MEHMP aus und glichen die Ergebnisse dieser Experimente mit mehreren Kontrollexperimenten ab, um andere Ursachen für das beobachtete Verhalten auszuschließen. Diese Experimente zeigten eindeutig, dass das Duftsignal der Larven ausreichte, um das Legen weiterer Eier bei erwachsenen Ameisen zu unterdrücken – selbst wenn es sich um synthetisches MEHMP handelte und keine Larven in der Nähe waren.

„Ameisen durchlaufen verschiedene unreife Brutstadien, darunter Eier und Larven. Da sich ihre Physiologie stark unterscheidet, gingen wir zunächst davon aus, dass wir Dutzende Verbindungen in jedem Brutstadium finden würden und somit mehrere Kandidaten für die Hemmung der Fruchtbarkeit in erwachsenen Ameisen hätten. Bei unseren Untersuchungen haben wir jedoch nur einen einzigen Kandidaten entdeckt“, fasst Baptiste Piqueret das überraschende Ergebnis zusammen.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben auch eine Erklärung dafür, dass sich die Ameisenlarven eher auf einen chemischen Botenstoff, als auf Berührungssignale verlassen. Dies hängt wiederum mit der Lebensweise klonaler Räuberameisen zusammen. Deren Fortpflanzungsphasen wechseln zwar zwischen Brutpflege und Eiablage, dennoch gibt es eine Arbeitsteilung: Während sich einige Arbeiterinnen um die Larven kümmern, gehen andere auf die Jagd nach Futter. Dennoch ist der Fortpflanzungszyklus bei allen Arbeiterinnen in der Kolonie synchronisiert. Das Duftsignal erreicht also auch die Arbeiterinnen, die nicht mit den Larven in Berührung kommen. 

Larven als aktive Mitglieder der Ameisengesellschaft

Mit MEHMP wurde erstmals ein Brutpheromon bei Ameisen beschrieben. Dies stellt die bisherigen Vorstellungen über die Rolle von Larven in einer Ameisengesellschaft infrage. „Larven und die Brut im Allgemeinen wurden häufig als passive Mitglieder der Ameisengesellschaft beschrieben. Dieses erste Ameisenbrutpheromon deutet jedoch darauf hin, dass Larven eine viel aktivere Rolle in dieser Gesellschaft spielen können als bisher angenommen“, sagt Baptiste Piqueret.

In Kolonien klonaler Räuberameisen hilft MEHMP dabei, Brutpflege und Fortpflanzung zu synchronisieren. Da nur die Larven dieses Pheromon produzieren, wird die Fruchtbarkeit der erwachsenen Tiere nach der Verpuppung nicht mehr gehemmt. Die Ameisen pflanzen sich wieder fort, indem sie neue Eier legen. Sobald sich diese in Larven verwandelt haben, wird die Eiablage erneut gehemmt und die Ameisen widmen sich wieder der Brutpflege.

Für Yuko Ulrich und ihr Team ergeben sich aus der Studie neue Fragen. So wollen sie beispielsweise herausfinden, wie erwachsene Ameisen das neu entdeckte Pheromon wahrnehmen, wo der Duft im Gehirn der Ameisen kodiert wird und welche Auswirkungen die Duftwahrnehmung auf die hormonelle Steuerung der Fortpflanzung hat. Darüber hinaus möchten sie untersuchen, ob es in anderen Ameisenarten ähnliche Pheromone gibt, die ausschließlich bei Larven zu finden sind.