Bewertung des Zusammenhangs zwischen Chemikalien und dem Rückgang der Insektenpopulationen
Mit Hilfe einer Bibliothek von über 1.000 Agrochemikalien konnten die Wissenschaftler signifikante Veränderungen im Verhalten und im langfristigen Überleben verschiedener Insektenpopulationen feststellen
Nur wenige Menschen sind Fans von Stinkwanzen, Stechmücken oder Rüsselkäfern, aber Insekten spielen eine Schlüsselrolle im Kreislauf des Lebens, der die Umwelt unseres Planeten ausmacht. Der weltberühmte Biologe E. O. Wilson erklärte sogar, dass unsere Umwelt zusammenbrechen würde, wenn die Insekten verschwinden würden.
In einer Illustration wird die ursprüngliche Vielfalt der Fliegen-, Mücken- und Schmetterlingspopulationen im oberen linken Bereich mit verschiedenen Farben dargestellt. Eine chemische Wirkung verändert die Populationen, wodurch nicht nur die Gesamtzahl der Insekten abnimmt, sondern auch ihre Vielfalt beeinträchtigt wird.
Isabel Romero Calvo/EMBL
Wissenschaftler haben festgestellt, dass sich das Verhalten der Insekten verändert hat und ihre Populationen zurückgehen - im Durchschnitt um 2-3 % pro Jahr. Dies hat sie dazu veranlasst, die möglichen Ursachen für diese Veränderung zu untersuchen, z. B. den Verlust von Lebensräumen aufgrund von Zersiedelung, den Klimawandel und den Einsatz von Chemikalien.
EMBL-Forscher und Mitarbeiter untersuchten kürzlich, wie sich Pestizide, Herbizide und andere Agrochemikalien auf Insektenpopulationen auswirken. Sie setzten Fruchtfliegenlarven systematisch mehr als 1.000 Molekülen aus, die in der einzigartigen chemischen Bibliothek des EMBL enthalten sind, in der eine Vielzahl von Agrochemikalien in einem Format gespeichert ist, das für groß angelegte Untersuchungen leicht zu verwenden ist.
Diese Fruchtfliegenlarven stammten von verschiedenen geografischen Standorten, und die Forscher verfolgten ihre Entwicklungszeit, ihr Verhalten und ihr langfristiges Überleben während ihres gesamten Lebenszyklus. Sie fanden heraus, dass 57 % der getesteten Chemikalien das Verhalten der Fruchtfliegenlarven erheblich veränderten, selbst in Mengen, die bekanntermaßen nicht tödlich sind. Ein höherer Gehalt an Chemikalien beeinträchtigte das langfristige Überleben der Fliegen nach derselben Art der Exposition.
"Wir haben festgestellt, dass die Exposition von Larven gegenüber sehr niedrigen Chemikaliendosen weitreichende Veränderungen in physiologischen Prozessen verursacht, die für ihre Entwicklung und ihr Verhalten von zentraler Bedeutung sind", so Lautaro Gandara, Erstautor eines Artikels, der in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, und Postdoktorand in der Crocker-Forschungsgruppe des EMBL. "Diese Veränderungen wurden noch verstärkt, als wir die Temperatur in den Wachstumskammern um vier Grad erhöhten - eine Entscheidung, die aus der Überlegung heraus getroffen wurde, dass die globalen Temperaturen gestiegen sind und die Wirkung von Pestiziden auf die Larven beeinflussen könnten."
Die Wissenschaftler begannen damit, die Temperatur in der Aufzuchtumgebung um zwei Grad zu erhöhen (von 25°C/77°F auf 27°C/80,6°F). Als sie keinen großen Unterschied feststellen konnten, erhöhten sie die Temperatur weiter auf 29°C/84,2°F, was immer noch repräsentativ für die sommerlichen Temperaturbereiche in weiten Teilen der Welt ist. An diesem Punkt stellten sie eine deutliche Auswirkung fest.
"Des Weiteren mischten wir einige der am häufigsten nachgewiesenen Chemikalien in der Luft in ökologisch relevanten Dosen und setzten die Fruchtfliegen erneut ab dem Zeitpunkt ihres Schlupfes aus. Wir haben dann eine viel stärkere Wirkung festgestellt", sagt Justin Crocker, EMBL-Gruppenleiter und Hauptautor der jüngsten wissenschaftlichen Arbeit. "Wir beobachteten einen Rückgang der Legeraten um 60 %, was auf einen Rückgang der Populationen hindeutet, aber auch auf andere veränderte Verhaltensweisen, wie z. B. häufigeres Buckeln, ein Verhalten, das bei den unbehandelten Gruppen selten zu beobachten war."
Buckeln' bedeutet, dass die Larven ihren Körper in übertriebener Weise krümmen oder einrollen. Dies kann ein Zeichen für Stress oder Unbehagen sein, aber auch für grundlegende Probleme wie Toxizität, neurologische Auswirkungen oder gestörte physiologische Prozesse.
"Oberflächlich betrachtet mag das Buckeln unbedeutend erscheinen, aber selbst kleine Verhaltensänderungen können sich auf die Fitness auswirken, wenn sie beispielsweise die Fütterung, die Paarung oder die Wanderung beeinträchtigen", so Crocker weiter. "Wissenschaftler müssen verstehen, wie Tiere miteinander und mit ihrer Umwelt interagieren, um die Auswirkungen von Veränderungen wie der Zerstörung von Lebensräumen oder dem Klimawandel auf Ökosysteme vorhersagen zu können.
Die Wissenschaftler räumten ein, dass sie noch nicht wissen, ob diese Vorahnung mit anderen Veränderungen zusammenhängt, die sie festgestellt haben, wie z. B. die geringere Legerate. Es ist möglich, dass die beiden Verhaltensweisen nichts miteinander zu tun haben. Trotzdem ist es wahrscheinlich, dass Larven, die viel Zeit mit Buckeln statt mit Fressen verbringen, in einer natürlichen Umgebung nicht gedeihen.
Gandara und Crocker arbeiteten für diese Studie mit mehreren anderen Wissenschaftlern zusammen. Jean-Baptiste Masson und François Laurent vom Institut Pasteur sowie das Team von Christian Tischer am EMBL lieferten KI-gesteuerte Ansätze, um Verhaltenseffekte mit hoher statistischer Auflösung zu verstehen. Weitere EMBL-Mitarbeiter waren die Zimmermann-Gruppe mit ihrer chemischen Bibliothek, die Savitski-Gruppe mit ihrem Fachwissen im Bereich der Proteomik und die Zimmermann-Kogadeeva-Gruppe mit ihrem Fachwissen im Bereich der Computerbiologie.
Die Mitarbeiter Vicky Ingham, Gruppenleiterin am Universitätsklinikum Heidelberg, und Arnaud Martin, außerordentlicher Professor für Biologie an der George Washington University, halfen den EMBL-Forschern bei der Ausweitung ihres Experiments auf Stechmücken bzw. Schmetterlinge, wo sie ähnliche Muster fanden und somit den experimentellen Ansatz und die Schlussfolgerungen validieren konnten.
"Insekten - selbst solche, die als Schädlinge erscheinen können - sind für unseren Planeten von entscheidender Bedeutung. Sie bestäuben die Pflanzen, die wir essen, und sind ein wichtiger Teil des Nahrungsnetzes", sagte Gandara. "Lange Zeit wurde über die verschiedenen Gründe für die Verhaltensänderungen von Insekten spekuliert, aber diese Forschung hilft nun, einen wichtigen Faktor zu klären. Eine der wichtigsten Erkenntnisse aus dieser Arbeit ist, dass selbst kleine Mengen bestimmter Chemikalien Auswirkungen haben".
Das Verhalten von Tieren spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts in Ökosystemen. Außerdem nimmt mit dem Rückgang der Insektenpopulationen auch die genetische Vielfalt ab, die für die Anpassung der Arten an gegenwärtige und künftige Umweltveränderungen entscheidend ist.
"Der positive Aspekt dieser Arbeit ist, dass wir neue Erkenntnisse darüber haben, welche Chemikalien bestimmte molekulare Veränderungen und damit verbundene Verhaltens- und Entwicklungsveränderungen verursachen können", so Crocker. "Indem sie Daten über die Auswirkungen und die Toxizität von Chemikalien liefern, können diese Tests in regulatorische und industrielle Praktiken umgesetzt werden, die die menschliche Gesundheit und die Umwelt besser schützen."
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