How Can Ant and Termite Queens Stay So Lengthy? | Science

Eine Ameisenkönigin Oecophylla smaragdina
Didier Descouens über Wikimedia Commons

Kleine Tiere werden normalerweise nicht sehr alt. Da sie immer Gefahr laufen, zum schnellen Snack eines anderen Tiers zu werden, ist der beste Weg, um sicherzustellen, dass ihre Gene es in die nächste Generation schaffen, so schnell wie möglich einen Haufen Junge zu haben. Dies gilt sicherlich für Insekten, die, mit einigen berühmten Ausnahmen wie Zikaden, oft eine Lebenserwartung haben, die am besten in Tagen, Wochen oder Monaten ausgedrückt wird.

Im Gegensatz dazu ziehen Tiere wie Elefanten und Menschen nur wenige Nachkommen auf und haben Körper, die Jahrzehnte überleben: Wenn Ihre Größe oder Ihr Lebensstil Schutz bieten, können Sie es sich leisten, sich Zeit zu nehmen.

Dieses gegensätzliche Muster ist so verbreitet, dass es darauf hindeutet, dass Tiere einfach nicht beides maximieren können, da Fortpflanzung und Erhaltung beide kostspielig sind. Je mehr Energie und Nährstoffe ein Individuum in die Produktion von Nachkommen investiert, desto schneller wird es wahrscheinlich altern und desto kürzer wird sein Leben sein.

Doch in sozialen Insekten wie Termiten, Ameisen, Bienen und Wespen scheinen die Königinnen einen Weg gefunden zu haben, ihren Kuchen zu haben und ihn zu essen.

In vielen Kolonien können Königinnen, die jeden Tag Hunderte von Eiern legen, jahrelang oder sogar Jahrzehnte am Leben bleiben, während Arbeiterinnen, die in ihrem Leben kein einziges Ei legen, nach einigen Monaten sterben. Offenbar haben diese Arten einen Weg gefunden, der es zumindest einigen ihrer Art ermöglicht, den Zwängen zu entkommen, die andere Tiere zwingen, sich zwischen Langlebigkeit und vielen Nachkommen zu entscheiden.

Vor einigen Jahren machte sich ein internationales Team von Biologen daran, zu untersuchen, wie die Kreaturen es schaffen – und obwohl es noch viel zu lernen gibt, geben die ersten Ergebnisse des Projekts allmählich Hinweise.

Fruchtfliegen bieten Alterungshinweise

Unterschiede im genetischen Code können die ungewöhnliche Langlebigkeit von Königinnen im Vergleich zu Arbeiterinnen nicht erklären. Alle Arbeiterinnen sind Töchter der Königin, und in vielen Fällen hätte jede dieser Töchter selbst zu Königinnen heranwachsen können, wenn sie als Larven die angemessene königliche Behandlung erhalten hätten.

Aufgrund dieser engen genetischen Verwandtschaft ist es sinnvoll, dass die Arbeiterinnen ihr Leben der Pflege der Königin und ihres Nachwuchses, der Pflege und dem Schutz des Nestes der Kolonie und der Nahrungssuche widmen. Indem sie die Königin sicher hält und sie mit den reichlichen Ressourcen versorgt, die sie braucht, um jahrelang Eier zu produzieren, trägt jede Arbeiterin zur Verbreitung ihrer eigenen Gene bei.

Und da die Königin die einzige in einer Kolonie ist, die Eier legt, werden Kolonien mit langlebigen Königinnen wahrscheinlich größer und senden mehr junge Königinnen aus, um neue Nester zu gründen, sowie Männchen, um sie zu befruchten.

Mit anderen Worten, argumentieren viele Wissenschaftler, es muss einen starken Selektionsdruck gegeben haben, um die Königin so lange wie möglich am Leben zu erhalten, indem sich eine verzögerte Alterung entwickelt.

Aber wie könnte das erreicht werden? Andere Insekten bieten einige mögliche Hinweise.

Weil Ameisen so klein sind, verwenden Forscher (hier im Labor des Evolutionsbiologen Romain Libbrecht) Bürsten, um sie zu bewegen.

Roman Libbrecht

Es stellt sich heraus, dass einige Arten ihre Investitionen in Körpererhaltung und Fortpflanzung je nach den Umständen in die eine oder andere Richtung kippen können. Studien haben zum Beispiel herausgefunden, dass die Fruchtfliege Drosophila melanogaster, wenn sie mit eingeschränkter Ernährung gefüttert wird, ihre Lebensdauer erheblich verlängern kann, aber weniger Eier produziert.

Forscher haben auch gezeigt, dass ein ganzes Netzwerk von Genen, die an der Erkennung des Vorhandenseins von Nährstoffen wie Aminosäuren und Kohlenhydraten beteiligt sind, für diesen Effekt verantwortlich ist. Wenn die Nahrung knapp ist, sendet dieses Netzwerk Signale, die die Reproduktion verzögern, während es die Langlebigkeit des Tieres und die Investition in Prozesse wie die Gewebereparatur erhöht – vielleicht ermöglicht es dem Individuum, auf bessere Tage zu warten. Einige Wissenschaftler haben auch gezeigt, dass die Lebensdauer von Fliegen verlängert werden kann, wenn einige der Schlüsselgene, die an diesem Netzwerk zur Nährstofferkennung beteiligt sind, deaktiviert werden.

Diese Fruchtfliegenarbeit deutet darauf hin, dass die Alterungsrate nicht in Stein gemeißelt ist. Stattdessen kann es bis zu einem gewissen Grad als Teil einer weiterentwickelten Strategie angepasst werden, um Ressourcen bestmöglich zu investieren – in die Reproduktion, wenn sie reichlich vorhanden sind, und in die Wartung, wenn sie nicht vorhanden sind.

„Wenn wir über die Mechanismen des Alterns sprechen, sprechen wir normalerweise nur über die Art und Weise, wie sich die Dinge verschlechtern“, sagt der Evolutionsbiologe Thomas Flatt von der Universität Fribourg in der Schweiz, der hauptsächlich mit Fruchtfliegen gearbeitet hat und Mitautor eines Artikels über das Altern von Insekten ist in der Jahresübersicht der Entomologie. „Was wir oft zu vergessen scheinen, ist die Kehrseite des Alterns: die Schlüsselmechanismen, die den Verfall verlangsamen.“

Arbeiter dazu bringen, Eier zu legen

Könnten soziale Insekten einige der gleichen Gene verwenden, die Drosophila verwendet, um die Alterungsrate zu optimieren – in ihrem Fall, um das Altern von Königinnen zu verzögern?

Das Altern von Königinnen zu untersuchen ist schwierig, weil es normalerweise nur eine Königin in jeder Kolonie gibt und es viele Jahre, oft Jahrzehnte dauert, bis sie altern. Um dies zu umgehen, können die Forscher die Königin entfernen, was einige der Arbeiterinnen oft dazu veranlasst, mit der Produktion ihrer eigenen Eier zu beginnen.

Die Eichelameise Temnothorax rugatulus ist so klein, dass eine ganze Kolonie in eine Eichel passt – oder in einen winzigen Behälter im Labor. Die größere Ameise in der Mitte ist die Königin.

Mega Stones

Dies macht Arbeiterinnen sicherlich nicht vollständig zu Königinnen, aber Experimente haben gezeigt, dass es zu gesundheitlichen Vorteilen führt, die denen der langlebigen Königinnen ähneln. In einer 2021 veröffentlichten Studie fanden Forscher der University of North Carolina Greensboro beispielsweise heraus, dass Arbeiterbienen, die ihre Eierstöcke reaktivierten, widerstandsfähiger gegen ein Virus waren, das tödliche Infektionen verursachen kann.

Arbeiterbienen mit aktiven Eierstöcken überlebten auch eher eine Injektion mit Paraquat, einem Herbizid, das oxidative Schäden an Proteinen, DNA und anderen Zellbestandteilen verursacht. Schäden dieser Art werden auch langsamer durch die Abfallprodukte des normalen Stoffwechsels verursacht und gelten allgemein als wichtiger Faktor für das Altern.

Wissenschaftler zweier deutscher Universitäten sahen Ähnliches bei den Arbeiterinnen dreier Ameisenarten. Bei zwei der Arten stieg die Resistenz gegen oxidativen Stress, als die Königin entfernt wurde, was die Chance der Arbeiterinnen, die Behandlung mit Paraquat zu überleben, fast verdoppelte. Bei einer dieser Arten aktivierten die Arbeiterinnen als Reaktion ihre Eierstöcke. Im anderen Fall taten sie es nicht – aber in diesem Fall könnte ein längeres Leben den Arbeitern Zeit verschaffen, um eine neue Königin zu züchten, begründet Romain Libbrecht, Evolutionsbiologe an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Mitautor der Studie.

Lehren von Termiten

Hinweise auf die Anti-Aging-Tricks sozialer Insekten könnten auch von verschiedenen Termitenarten gewonnen werden, Kreaturen, die im Wesentlichen soziale Kakerlaken sind, sagt die Evolutionsbiologin Judith Korb von der Universität Freiburg in Deutschland.

Eine der Termitenarten, die sie untersucht, die Trockenholztermite Cryptotermes secundus, verlässt das Nest nie – sie verkriecht sich einfach in toten Bäumen und frisst das Holz von innen heraus. Die Arbeiterinnen müssen nicht sehr hart arbeiten, behalten ihre Fortpflanzungsfähigkeit und sind immer bereit, auszuziehen, um zu versuchen, woanders eine eigene Kolonie zu gründen, wenn das Essen ausgeht.

Korb und Kollegen fanden heraus, dass Gene, die an der Bekämpfung von oxidativen Schäden beteiligt sind, aktiver sind, wenn die Arbeiterinnen jünger sind und sich nicht fortpflanzen. Doch wenn sie älter und reproduktionsreif werden, lässt die Aktivität solcher Gene nach: Der Fokus liegt nun weitgehend auf der Fortpflanzung.

Eine Termitenkönigin (links), die etwa 2 Zoll lang ist, und ein Termitenkönig (rechts), der etwa einen Drittel Zoll lang ist. Die Königin produziert ständig Eier aus ihrem massiven Hinterleib.

China-Fotos / Getty Images

Bei dieser Art können Arbeiter mehrere Jahre leben, während Könige und Königinnen ein Jahrzehnt oder länger überleben können. Aber bei den meisten anderen Termitenarten ist die soziale Struktur komplizierter, und bei einigen Arten sind die Arbeiterinnen völlig unfruchtbar und werden niemals die Chance haben, eigene Eier zu legen. Hier zeigen sich wirklich große Unterschiede in der Lebensdauer zwischen Arbeiterin und Königin.

„Diese Arbeiter leben oft nur wenige Monate, während ihre Könige und Königinnen sehr langlebig sind“, sagt Korb. In Macrotermes bellicosus, der größten bekannten Termitenart, können Königinnen mehr als 20 Jahre alt werden.

Erst als die Koloniemitglieder alle Hoffnung verlieren, jemals eigenen Nachwuchs zu bekommen, scheint „Lang lebe die Königin“ wirklich zum Credo der Kolonie zu werden.

Jedes Insekt macht es anders

Um mehr darüber zu erfahren, was das lange Leben von Königinnen in sozialen Insekten ermöglicht, beschloss ein Forscherteam, darunter Korb, Libbrecht und Flatt, die Aktivitätsniveaus verschiedener Gene in Termiten, Ameisen und Bienen zu vergleichen – jeweils zwei Arten. Insgesamt untersuchten sie 157 Individuen, darunter Insekten unterschiedlichen Alters sowie verschiedener Kasten.

Es überrascht nicht, dass das Team herausfand, dass Gene, von denen bekannt ist, dass sie eine entscheidende Rolle bei der Fortpflanzung spielen, bei Königinnen andere Aktivitätsmuster zeigten als bei sterilen Arbeiterinnen. Einige dieser Gene, die Anweisungen zur Herstellung von Proteinen enthalten, die Vitellogenine genannt werden, waren bei Königinnen aller Arten aktiv.

Die Hauptaufgabe von Vitellogeninen besteht darin, die Eigelbproduktion zu unterstützen. Einige Wissenschaftler vermuten jedoch, dass Vitellogenine noch mehr bewirken: Zumindest bei Honigbienen hat die Forschung herausgefunden, dass Vitellogenine auch als Antioxidantien wirken. Wenn Vitellogenine bei anderen sozialen Insekten dasselbe tun, könnten sie zur Oxidationsresistenz von Königinnen beitragen.

Das Team fand auch Unterschiede in der Aktivität von Genen, die an der Verhinderung von oxidativen Schäden oder der Reparatur solcher Schäden beteiligt sind, zwischen Königinnen und eierlegenden Arbeiterinnen im Vergleich zu sterilen Arbeiterinnen. Aber die genauen beteiligten Gene unterschieden sich stark von einer Spezies zur anderen. Offenbar hat jede Art ihre eigene Art entwickelt, ihre Königinnen länger am Leben zu erhalten, sagt Korb, der die Studie leitete.

Die Wissenschaftler überprüften auch das nährstoffempfindliche Gennetzwerk, das die Lebensdauer verlängern kann, wenn es in Fruchtfliegen manipuliert wird, und fanden keine offensichtlichen Muster über Alter und Kasten hinweg. Aber sie fanden noch etwas anderes: Unterschiede in der Aktivität von Genen, die an der Produktion und Wirkung einer Substanz namens Juvenilhormon beteiligt sind, einem Molekül, das an der Reorganisation der Körper der meisten heranwachsenden Insekten beteiligt ist.

Vielleicht kann das gleiche Hormon, das es Insekten ermöglicht, ausgewachsene Erwachsene zu werden, ihnen auch helfen, das Altern zu verzögern, spekulieren die Wissenschaftler. Aber noch einmal, wie genau diese juvenilhormonbezogenen Gene hoch- oder heruntergestimmt wurden, war von Art zu Art unterschiedlich.

Für Korb enthüllt diese etwas verwirrende Artenvielfalt eine wichtige Lektion über die Natur des Alterns: Es gibt nicht einen Knopf oder Schalter, der es einer Art ermöglicht, mehr oder weniger in Wartung oder Reproduktion zu investieren, sondern ein ganzes Armaturenbrett davon ist bei jeder Art etwas anders aufgebaut.

„Der Kompromiss zwischen Lebensdauer und Reproduktion ist eindeutig nicht fest verdrahtet – er ist viel flexibler als die Leute dachten“, sagt sie. „Arten haben unterschiedliche Lösungen entwickelt“, abhängig von ihren eigenen sozialen und natürlichen Umgebungen.

Und obwohl es offensichtlich nützlich ist, einige Arten durch und durch zu kennen, sind diese Ergebnisse auch eine Warnung, nicht anzunehmen, dass ein oder zwei intensiv untersuchte Lebewesen – wie die berühmte Fruchtfliege Drosophila melanogaster – uns alles beibringen können, sagt Flatt. „Da draußen gibt es eine enorme Vielfalt zu entdecken, von der wir noch nicht einmal wissen.“

Knowable Magazine ist ein unabhängiges journalistisches Unterfangen von Annual Reviews.

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