Forscher wenden hochpräzise Röntgenmethode zum Studium lebender Insekten an
Atemsystem an lebenden Insekten erforscht
Oliver Betz

Ein internationales Forschungsteam berichtet in der aktuellen Ausgabe der amerikanischen Fachzeitschrift „Science“ (24. Januar), dass Insekten über einen bislang unbekannten Atemmechanismus verfügen, der analog zur Lungenventilation der Wirbeltiere funktioniert. Insekten haben ein System innerer Röhren (Tracheen), das Sauerstoff zu den inneren Organen transportiert und dort über passive und relativ langsame Diffusionsprozesse austauscht. Die neue Studie zeigt nun, dass bei vielen Insekten die Tracheenstämme des Thorax (Vorderkörper) und Kopfes bei der Atmung in rascher Folge aktiv zusammengezogen und wieder erweitert werden.
Zu Tage getreten ist die Entdeckung dieser Pumpbewegung nur durch eine von den Forschern erstmals bei lebenden Tieren eingesetzte neue Röntgenmethode, die eine besonders präzise Röntgenstrahlung nutzt und nur von Synchrotron-Teilchenbeschleunigern erzeugt werden kann.

Röntgenbilder der vorderen Tracheenstämme eines Laufkäfers im Ruhezustand und in kontrahiertem Zustand. Die Bilder liegen etwa 0,5 Sekunden auseinander (Copyright: Science)

Der einzige Insektenkundler des Wissenschaftlerteams ist Dr. Oliver Betz, Privatdozent am Zoologischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Er forscht gemeinsam mit Biomechanikern des Field Museum of Natural History und Physikern des Argonne National Laboratory in Chicago unter der Leitung von Dr. Mark Westneat, Kurator am Field Museum.
Die Wissenschaftler ermittelten über die beobachteten Volumenänderungen in den Tracheen den Gasaustausch im Atemsystem der lebenden Insekten und stellten fest, dass etwa die Hälfte des Gesamtvolumens pro Sekunde ausgetauscht wird. Sowohl das Volumen des Gasaustausches als auch die Geschwindigkeit entsprechen den Verhältnissen bei einem Menschen, der leichte Übungen verrichtet. Oliver Betz erklärt: „Diese Ergebnisse stellen einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der Evolution landbewohnender Insekten dar. Die Möglichkeit eines aktiven trachealen Atemmechanismus spielte vermutlich eine wichtige Rolle bei der Entwicklung besonderer Leistungen wie schnelles Laufen oder Fliegen. Gleichzeitig war sie wohl eine Grundvoraussetzung für die Sauerstoffversorgung des Gehirns zur Wahrnehmung komplexer Sinnesfunktionen.“
Die Röntgenstrahlung, die diese Untersuchungen erstmals ermöglicht, wird durch Synchrotron-Teilchenbeschleuniger wie der Advanced Photon Source des Argonne National Laboratory erzeugt. Diese Anlagen können Elektronen auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Die schnellen Elektronen geben eine stark gebündelte, hochpräzise Röntgenstrahlung ab, mit der auf sehr kleine Objekte fokussiert werden kann. Im Vergleich zur Röntgenstrahlung, wie man sie aus der Medizin kennt, erzeugen Synchrotron-Teilchenbeschleuniger ungleich intensivere und präzisere Strahlen.
Im nächsten Schritt wollen die Forscher weitere Organsysteme bei Insekten untersuchen sowie die Untersuchungsmethode optimieren. Das bedeutet konkret: Die energiereiche Strahlung soll derart modifiziert werden, dass Wirbeltiere ihr unbeschadet standhalten. Dann könnten
kleinste Bereiche des Knochenskeletts oder der Blutgefäße untersucht werden, und es wäre möglich, Herz-, Kreislauferkrankungen sowie Schädigungen an der Wirbelsäule an lebenden Organismen ganz genau zu durchleuchten.

Dr. Oliver Betz,
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel,
Zoologisches Institut der Universität,
Am Botanischen Garten 1 - 9, 24118 Kiel