Ein Forschungsteam der Uni Würzburg untersucht das Gehirn der Honigbiene. Die Gruppe um den Biologen Dr. Jerome Beetz interessiert, wie das räumliche Gedächtnis im Insektengehirn repräsentiert ist.

Was haben Menschen und Honigbienen gemeinsam? Sie tanzen. Während jedoch Menschen sich in der Regel zum Spaß bewegen, hat der Tanz der Honigbiene eine wichtige Funktion: Damit teilt das Tier Informationen über Richtung und Entfernung zu einer lukrativen Futterquelle ihren Kolleginnen mit und greift dafür auf ihr räumliches Gedächtnis zurück. Das Verhalten der Honigbienen ist in dieser Hinsicht gut erforscht. Weniger gut untersucht sind die Prozesse, die während des Tanzes im Gehirn ablaufen.

Hier setzt Dr. Jerome Beetz, Lehrstuhl für Verhaltensphysiologie und Soziobiologie der Uni Würzburg (JMU), mit einem Projekt an: „Wir wissen, dass die Biene beim Schwänzeltanz akustische Signale aussendet, die dazu verwendet werden können, Distanzinformationen zu entschlüsseln. Einige Nervenzellen im Gehirn, die diese Signale verarbeiten, sind bereits beschrieben“, so der Biologe. Dies stellte Hiroyuki Ai, Professor an der Fukuoka Universität (Japan) und Kooperationspartner an Beetz‘ Projekt, fest.

Das Gehirn der Honigbiene erkunden
„Besonders spannend jedoch ist, dass die räumlichen Informationen im Schwänzeltanz in völliger Dunkelheit kommuniziert werden, wohingegen außerhalb des Nests vor allem visuelle Signale eine entscheidende Rolle für die Orientierung spielen“, so der JMU-Wissenschaftler, „so dient der optische Fluss – vergleichbar mit dem Blick aus einem fahrenden Zug –, den die Biene während ihres Fluges wahrnimmt, zur Messung der zurückgelegten Distanz.“ Das Ziel des Biologen ist es, herauszufinden, wo im Gehirn der Honigbiene beide Quellen der Distanzmessung integriert werden. „Wir vermuten daher Nervenzellen, die sowohl visuelle als auch akustische Signale verarbeiten“, so Beetz.

Dafür steht dem JMU-Wissenschaftler ab Mai 2025 ein Team zur Verfügung: Das Projekt wird im Emmy Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit knapp zwei Millionen Euro gefördert. Damit kann Beetz in den kommenden sechs Jahren eine Nachwuchsforschungsgruppe aufbauen, bestehend aus zwei Doktoranden und einem Postdoc-Forschenden.

Die Honigbiene im Flugsimulator
Um messen zu können, was im Gehirn passiert, wenn das räumliche Gedächtnis abgerufen wird, hat Beetz während seines Postdocs in der Gruppe von Professor Basil el Jundi, ehemaliger JMU-Nachwuchsgruppenleiter, eine eigene Messtechnik entwickelt: Die Tetroden-Ableitung. Hierbei werden mittels Tetroden Nervensignale aufgenommen, während das Insekt in einem Flugsimulator sich frei drehend orientieren kann. Dazu implantiert der Forscher dem Insekt vier ultrafeine Elektroden im Gehirn, die die Aktivität einzelner Nervenzellen messen.

„Diese Methode ermöglicht es uns, neuronale Messungen vorzunehmen, während sich das Tier aktiv orientiert. Eine solche Messung wäre an frei fliegenden Insekten nicht möglich, da sie das Gewicht der Elektroden und Sender nicht tragen könnten. Daher konzentrieren wir uns darauf, im Flugsimulator eine möglichst natürliche Umgebung zu erzeugen“, so der künftige Nachwuchsgruppenleiter.

Aber woher weiß die Arbeiterin, wohin sie fliegt, wenn sie sich im Grunde genommen nur an Ort und Stelle bewegt? Hier kommt virtuelle Realität (VR) ins Spiel.

Mit einer Drohne wird das Team Fotoaufnahmen des Gebiets um den Bienenstock machen. Eine Software erstellt daraus eine 3D-Umgebung, die an dem realen Vorbild angelehnt ist. Die Honigbiene kann sich somit im virtuellen Raum frei bewegen. Dieses Projekt geschieht in Kooperation mit Professor Tim Landgraf, Institut für Informatik der Freien Universität Berlin, und Professorin Karin Nordström, Professorin an der Flinders University in Australien, die bereits ein VR-System für fliegende Insekten entwickelt hat.

Würzburg: Optimaler Forschungsstandort
„Wichtig für uns ist es, das Verhalten der Honigbiene gemeinsam mit den dazugehörigen Prozessen im Gehirn zu messen. Nur so können wir erforschen, wie das Gehirn Verhalten steuert“, so Beetz. Würzburg sei hierfür der optimale Forschungsstandort. Hier gebe es eine lange Tradition in der Bienenforschung und die optimale Infrastruktur, um die Messungen durchzuführen. Unterstützung erhält er auch von Professor Keram Pfeiffer und Dr. Jacqueline Degen vom JMU-Lehrstuhl für Verhaltensphysiologie und Soziobiologie, die ihm als Kooperationspartner zur Seite stehen.

Auch Studierende sollen Teil von Beetz‘ Team sein; sie können bei ihm aktiv forschen und so ihre Bachelor- und Masterarbeiten anfertigen. „Ich möchte ihnen früh einen Einblick vermitteln, was es heißt, in der Wissenschaft zu arbeiten. Dazu werden die Studierenden vollwertige Teammitglieder und lernen eigenständig Forschungsfragen zu stellen und zu bearbeiten, denn auch sie werden wichtige Beiträge zu dem Projekt leisten“, so der Biologe.

Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Duftstoffe von Blüten wirken nicht nur über die Luft, sondern auch als Geschmacksstoffe im Nektar. Das hat ein deutsch-US-amerikanisches Forschungsteam unter Leitung der Universität Ulm herausgefunden. Es konnte zeigen, dass Springkraut-Blüten Hummeln mit einem ausgeklügelten chemischen Leitsystem zum Nektar führen. Mit dieser raffinierten Strategie verhindern die Pflanzen auch, dass die Insekten nur den Nektar stehlen, ohne ihre Arbeit als Bestäuberinnen zu verrichten. Die Ergebnisse der Studie wurden im renommierten Fachjournal Current Biology veröffentlicht.

Wenn im jetzt beginnenden Frühjahr wieder Bienen, darunter auch Hummeln, und andere Insekten durch Gärten und Parks summen, folgen sie einem ausgeklügelten chemischen Leitsystem: Um Bestäuber anzulocken und ihnen den Weg zu Pollen und Nektar zu weisen, geben Blüten leichtflüchtige organische Substanzen als Duftstoffe ab, und zwar nicht nur in die Luft, sondern auch in den Nektar: Bienen und Hummeln können diese nämlich nicht nur riechen, sondern dank zahlreicher Sinneszellen an ihren Mundwerkzeugen auch schmecken. Diese zweifache Funktion wurde bislang kaum wissenschaftlich untersucht. Ein internationales Team um die Ulmer Forschenden Kim Heuel, Dr. Hannah Burger und Professor Manfred Ayasse konnte jetzt nachweisen, dass sich Duftstoffe in Pflanzenarten mit komplexen Blüten räumlich verteilen und manche flüchtigen organischen Verbindungen nur im Nektar vorkommen.

„Wir konnten erstmals zeigen, dass Pflanzen eine Art chemosensorische Landkarte in ihren Blüten anlegen“, erläutert Erstautorin Kim Heuel. „Bestimmte Duftstoffe – manche zum Riechen, andere zum Schmecken – kommen ausschließlich im Nektar vor und leiten die Bestäuber wie ein Navigationssystem zum Ziel.“ Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchten nordamerikanische Springkraut-Arten mit einem gebogenen Nektarsporn sowie deren typische Bestäuber, die Hummelart Bombus impatiens. Während einige Hummeln tief in die Blüte kriechen, um an den Nektar zu gelangen, und dabei auch gleich die Bestäubung erledigen, nehmen andere eine Abkürzung: Sie beißen von außen ein Loch in den Nektarsporn. So werden sie zu „Nektardieben“, denn die Blüten werden dabei nicht bestäubt.

Diebstahlsicherung schützt vor Nektardieben
Doch die Springkräuter haben eine Art Diebstahlsicherung eingebaut. In aufwändigen Verhaltensexperimenten mit unerfahrenen Hummeln, die zum ersten Mal Blüten erkunden, stellten die Forschenden fest, dass die Insekten unterschiedlich auf die flüchtigen organischen Verbindungen reagieren – je nachdem, ob sie diese als Duft- oder Geschmacksstoff wahrnehmen. „Typische Nektarduftstoffe wie Vanillin schmeckten den Hummeln gut, während sie die Duftstoffe aus anderen Blütenteilen wie dem Nektarsporn eher mieden“, so Dr. Hannah Burger vom Institut für Evolutionsökologie und Naturschutzgenomik der Uni Ulm, die die Studie koordiniert hat. „Diese räumliche Verteilung der flüchtigen organischen Verbindungen fördert die Bestäubung und schreckt Nektardiebe durch unangenehm schmeckende Substanzen in der Blütenwand ab“, erklärt Dr. Burger. „Die Pflanzen haben eine Art chemischen Türsteher entwickelt.“

Die Bedeutung der Entdeckung geht über die untersuchten Arten hinaus. Die Ergebnisse zeigen, dass Blütenduftstoffe auch als Geschmackssignale eine wichtige Rolle in der Kommunikation zwischen Pflanzen und ihren Bestäubern spielen. „Bisher hat die Wissenschaft die Rolle von Duftstoffen als Geschmackssignale unterschätzt“, betont der Ulmer Bienenexperte und Mitkoordinator der Studie, Professor Manfred Ayasse. „Die Erkenntnisse eröffnen völlig neue Forschungsfelder in der Sinnes- und Verhaltensbiologie von Bestäubern und nicht-bestäubenden Gegenspielern.“

Die Studie entstand im Rahmen von Kim Heuels Masterarbeit am Institut für Evolutionsökologie und Naturschutzgenomik der Universität Ulm. Die Analyse der Blütenduftstoffe führte sie gemeinsam mit Professor Robert Raguso an der Cornell University in den USA durch. Professor Robert Gegear von der University of Massachusetts steuerte seine Expertise in der Verhaltensökologie von Bestäubern bei. Für die interdisziplinär angelegten Untersuchungen nutzte das Team modernste Analysemethoden zur Identifizierung von leichtflüchtigen organischen Substanzen.

Das Projekt wurde unter anderem durch das Mentorshipprogramm des Zukunftskollegs der Universität Konstanz und durch PROMOS-Stipendien des Deutschen Akademischen Austauschdienstes (DAAD) gefördert.

Quelle: Universität Ulm