Nicht nur Menschen können durch den Kontakt mit Insekten allergische Reaktionen erleiden. Auch andere Säuger wie Katze, Hund oder Pferd sind davon betroffen. Ein neues europäisches Positionspapier von Forschenden rund um Isabella Pali-Schöll und Erika Jensen-Jarolim vom interuniversitären Messerli Forschungsinstitut der Vetmeduni Vienna zeigt aktuelles Wissen und speziell die Wissenslücken des Allergiepotentials durch Insekten auf.
Allergien durch Insekten: Vielfältige Auslöser und Herausforderungen
Insekten können auf verschiedenen Wegen Allergien auslösen. Die am besten erforschte Variante in Tier und Mensch ist die durch Stiche ausgelöste Allergie gegen Insektengifte, die auch im Tier schwerwiegende Symptome bis hin zum anaphylaktischen Schock auslösen kann. Stiche sind jedoch schwer zu vermeiden, daher ist die Allergen-Immuntherapie zur spezifischen Desensibilisierung in diesem Fall die erste Behandlungswahl.
Wissenschaftlich bestätigt wurden ebenso bereits die Risiken einer Allergisierung gegen Insekten über die Einatmung, allerdings nur beim Menschen. Dies ist besonders im Bereich der Berufsallergien der Fall, etwa bei ArbeiterInnen in der Insektenzucht für Tierfutter von Fischen und Reptilien oder in der Forschung. Möglicherweise spielt in diesen beruflichen Situationen auch die Sensibilisierung über die Haut eine wesentliche Rolle.
Insekten als Nahrungsmittel: Neue Allergieauslöser und Forschungsbedarf
Bei Mensch und Tier rückt durch den neuen Trend zu essbaren Insekten zudem ein weiterer Allergieauslöser in den Fokus. Mehlwürmer, Heuschrecken, Grillen und Heimchen werden sowohl in ursprünglicher, als auch verarbeiteter Form von Menschen als alternative Proteinquelle genutzt. Ebenso werden im Tierfutter für Fische und Hühner, aber auch bereits für Hunde, Insekten eingesetzt.
Das vermutlich hohe Allergiepotential, auch im Sinne von Kreuzreaktionen durch mehrere Insekten sowie mit Hausstaubmilben und Shrimps, ist dabei für Menschen erst zum Teil geklärt - noch weniger, was Haus- und Nutztiere betrifft.
Im Bereich der Diagnose und Therapie zeigt sich außerdem, dass für viele Insekten - besonders für jene, die im Zuge des Klimawandels nun auch in unseren geographischen Breiten auftreten - die notwendigen Extrakte oder Moleküle für eine genaue Diagnosestellung fehlen, in weiterer Folge auch für die Therapie. Die Veröffentlichung weist daher vor allem auf den Bedarf von weiteren vergleichenden Studien zu den Mechanismen, der Diagnose und den richtigen Maßnahmen bei Insektenallergien hin.
Das europäische Positionspapier “EAACI position paper: Comparing insect hypersensitivity induced by bite, sting, inhalation or ingestion in human beings and animals” von Pali-Schöll I, Blank S, Verhoeckx K, Mueller RS, Janda J, Marti E, Seida AA, Rhyner C, DeBoer DJ, Jensen-Jarolim E wurde im Journal “Allergy” publiziert.
Neurobiologische Einblicke in das Verhalten von Insekten
Die Untersuchung des Verhaltens von Insekten bietet faszinierende Einblicke in grundlegende Mechanismen der Informationsverarbeitung und Entscheidungsfindung. Ein Modellorganismus, der dabei eine zentrale Rolle spielt, ist die Taufliege (Drosophila melanogaster).
Hunger als Steuerung von Verhalten bei Taufliegenlarven
Die Biologin Dr. Katrin Vogt und ihre Nachwuchsarbeitsgruppe an der Universität Konstanz untersuchen, wie das Gehirn in Abhängigkeit von Hunger und anderen inneren Zuständen das Verhalten von Taufliegenlarven steuert. Ihre Forschung konzentriert sich auf die Frage, wie Hunger das Verhalten beeinflusst und welche neuronalen Prozesse dabei ablaufen.
Mithilfe von klassischen Verhaltensversuchen zeigte Katrin Vogt zunächst, dass hungrige Fliegenlarven bestimmte pflanzliche Geruchsstoffe anziehend finden, zu denen satte Larven lieber Abstand halten. Genau wie bei uns Menschen beim Einkaufen steuert hier also der Zustand des Hungers, ob bestimmte Nahrungsquellen angenommen oder abgelehnt werden.
In mehrjähriger Forschungsarbeit und unter Verwendung hochpräziser genetischer und neurobiologischer Methoden gelang es Katrin Vogt und ihren Kolleginnen und Kollegen, den gesamten Steuerungsmechanismus der beobachteten Verhaltensänderung im Gehirn der Fliegenlarven aufzuklären und im Computermodell zu simulieren. Sie kamen dabei zu mehreren unerwarteten Erkenntnissen.
„Bisher sind wir davon ausgegangen, dass der Antennallobus hauptsächlich eine Art Durchgangsstation für sensorische Informationen auf dem Weg tiefer ins Gehirn ist. Wir konnten jedoch zeigen, dass hier bereits umfangreiche Informationsverarbeitung, wie eben die Integration des Hungerstatus, stattfindet“, macht Katrin Vogt deutlich.
Vom Gehirn der Fliegenlarve, mit seinen rund 10.000 Neuronen, zu dem des Menschen, mit der etwa zehnmillionenfachen Anzahl an Nervenzellen, ist es ein großer Schritt. Für die Beantwortung der Frage, ob unser Gehirn unser Einkaufsverhalten bei Hunger auf dieselbe Weise steuert, wie das Gehirn der Fliegenlarven ihr Fressverhalten, bedarf es daher weiterer Forschung. So nutzt die einzelne Nervenzelle, welche das beobachtete Hungerverhalten bei den Taufliegenlarven steuert, den Botenstoff Serotonin. Dieser hat bei den meisten Tieren eine ähnliche Funktion und reguliert die Stimmung. Vergleichbar zu dem serotonergen Neuron der Fliegenlarve, welches von tief im Gehirn in das Riechzentrum des Insekts ausstrahlt, gibt es auch bei Säugetieren serotonerge Nervenzellen, die vom Hirnstamm auf unser Riechzentrum zurückgeschaltet sind. „Es bestehen ähnliche Verschaltungsmuster bei Insekten- und Säugetiergehirnen.
Künstliche Intelligenz und das Insektengehirn
Neben dem Erkenntnisgewinn für die neurobiologische Grundlagenforschung sieht Katrin Vogt auf mittel- bis langfristige Sicht auch klare Anwendungsmöglichkeiten für ihre Forschung, zum Beispiel im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI). Aktuelle KIs sind häufig den reizverarbeitenden Zentren des Säugetiergehirns nachempfunden und daher besonders gut in bestimmten, sich wiederholenden Aufgaben, wie der Bilderkennung oder Sprachverarbeitung.
„Diese Plastizität ist es, die echte Gehirne so faszinierend macht und die aktuellen KIs fehlt. Ich denke, dass die Informatik und die Computerwissenschaften hier noch viel vom Insektengehirn lernen können.
Empfindungsfähigkeit und Bewusstsein bei Insekten: Eine wissenschaftliche Debatte
Die Frage, ob Insekten empfindungsfähig sind und ein Bewusstsein besitzen, ist Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Debatten. Neurowissenschaftliche und verhaltensbiologische Studien deuten darauf hin, dass Insekten komplexere kognitive Fähigkeiten aufweisen, als lange Zeit angenommen wurde.
Emotionen und Entscheidungsfindung bei Insekten
Die Schweizer Rechtsvorschriften über Tierschutz erkennen das Empfindungsvermögen von wirbellosen Lebewesen an. Diese Entscheidung basiert auf der Erkenntnis, dass Emotionen und Empfindungen nicht nur auf Menschen und Tiere wie Säugetiere beschränkt sind.
Bei Insekten ging man lange davon aus, dass sie wiederholt auf schädliche Reize reagieren, ohne daraus zu lernen. In einer Studie stellten Matilda Gibbons und ihre Kollegen dieses Paradigma infrage, indem sie Hummeln eine Lösung mit unterschiedlichen Zuckerkonzentrationen präsentierten. Wenn das süßere Futterhaus jedoch mit Hitze verbunden war, tauschten die Hummeln ihre Motivation, unangenehme Hitze zu meiden, gegen die Vorliebe für den hohen Zuckergehalt ein. Dies bedeutet, dass die Hummeln eine Entscheidung aufgrund ihrer Motivation getroffen haben: Sie waren bereit, die Hitze zu ertragen, wenn sie dafür genügend Zucker bekamen.
Die Hummeln trafen diese Entscheidungen, indem sie lernten, Farben zu erkennen, die mit unterschiedlichen Zuckerwerten assoziiert waren, was nahelegt, dass sie ihr Gehirn benutzten, um die Optionen abzuwägen und zu entscheiden, anstatt einfach automatisch zu reagieren. Diese Verhaltensreaktion zeigte, dass das zentrale Nervensystem beteiligt war, um erhitzte Futterhäuschen zu vermeiden.
Freaks auf sechs Beinen | Unglaubliche Insekten | WELT - Doku
Während die Forschung weiterhin die Komplexität des Insektenverhaltens untersucht, bleibt die immer dringlicher werdende Frage offen, ob Insekten Emotionen empfinden. Wenn selbst so kleine Lebewesen wie Hummeln Entscheidungen treffen, die eine Form von Empfindungsvermögen widerspiegeln, müssen wir unsere Annahmen über die Grenzen von Emotionen und Empfindungen im Tierreich überdenken.
Kognitive Fähigkeiten und Lernverhalten
Lange Zeit herrschte die gängige Lehrmeinung, Insekten agierten als reine Reflexmaschinen. Ab den 1990er Jahren machten Wissenschaftler jedoch erstaunliche Entdeckungen über den Verstand von Insekten.
So erkennen die Individuen einiger Wespenarten die Gesichter ihrer Nestgenossinnen wieder und verfügen über beeindruckende soziale Fähigkeiten. Durch bloßes Beobachten miteinander kämpfender Wespen sind sie in der Lage, die Kampfkraft jener Tiere im Vergleich zu ihrer eigenen einzuschätzen.
Ameisen retten verschüttete Stockgenossinnen, indem sie ausschließlich nach verborgenen Körperteilen graben; offenbar leiten sie deren Körperumfang lediglich anhand der oberflächlich sichtbaren Teile ab. In virtueller Realität versunkene Fliegen registrieren das Verstreichen von Zeit. Auf einer Leiter emporkletternde Heuschrecken können die Sprossenabstände abschätzen und ihre Schrittweite entsprechend anpassen - selbst wenn das Zielobjekt danach vor ihnen verborgen wird.
Bienen können zählen, Konzepte von Gleichartigkeit und Verschiedenheit erfassen oder komplexe Tätigkeiten durch das Beobachten von Artgenossinnen erlernen; und sie kennen sogar ihre eigenen, individuellen Körpermaße - eine Fähigkeit, die normalerweise mit menschlichem Bewusstsein in Verbindung gebracht wird.
Der Verhaltensforscher Lars Chittka vermutet sogar, dass Bienen eine einfache Form von Bewusstsein haben. Um das nachzuweisen, stellt er den Insekten an der Universität London Aufgaben, auf die sie die Evolution ganz sicher nicht vorbereitet hat. Die Bienen mussten zum Beispiel einen kleinen Ball auf eine bestimmte Position einer Plattform rollen. Für die Bienen kein Problem, sie lernen durch Versuch und Irrtum. So etwas lässt sich inzwischen auch in Roboter hineinprogrammieren. Bienen können aber noch weit mehr. Im nächsten Level des Experiments durften Bienen nur beobachten, wie Artgenossen den Ball rollten und dann belohnt wurden. Als sie dann selbst an die Bälle durften, gab es eine zusätzliche Herausforderung: Lars Chittka hatte die Plattform verändert, der vorgeführte Weg war nicht mehr der kürzeste. Tatsächlich finden die Bienen dann schon beim ersten eigenen Versuch einen kürzeren Weg. Das sind geistige Vorgänge, die weit über das Lernen durch Versuch und Irrtum hinausgehen.
Lars Chittka betont, dass nicht nur Bienen klare Vorstellungen von ihren Zielen haben. Spinnen, die ein oder zwei Beine verloren haben, entwickeln völlig andere Strategien des Netzaufbaus. Solche Einsicht in das eigene Verhalten trauten Biologen bislang eigentlich nur Affen und Vögeln zu, vielleicht noch Tintenfischen.
Ob tatsächlich auch Insekten in diesen Kreis aufgenommen werden sollten, ist noch umstritten. In der aktuellen Ausgabe der "Current Opinion in Neurobiology" argumentiert Lars Chittka aber, dass auch vergleichsweise abstrakte Denkleistungen auf ganz frühe Entwicklungen in der Evolution der Tiere zurückgehen. Sobald sich Lebewesen frei bewegen und dabei mit Augen orientieren, stehen sie nämlich vor einem Problem: ein und derselbe Sinneseindruck kann ganz unterschiedliche Ursachen haben. Schon die Vorfahren der Insekten und Spinnen mussten also mit einberechnen, welche Auswirkungen ihre eigenen Bewegungen haben. "Und man muss auch auf einfachster Ebene unterscheiden können zwischen einem Selbst und einer Außenwelt und das sind natürlich Bausteine, einfachste Bausteine eines Bewusstseins und einer Form von planendem Vorausschauen."
Moderne Insekten und Spinnen haben diesen Denkraum erweitert. Sie haben Ziele, fassen Pläne, konzentrieren sich auf Wichtiges. Sie zeigen so etwas wie positive und negative Emotionen und scheinen sogar in der Nacht von Routen zu Blumenwiesen zu träumen. Ist das schon Bewusstsein? Unter Verhaltensforschern eine strittige Frage. Lars Chittka ist aber überzeugt, es gibt eine Art von innerem Erleben der Bienen, wie fremd uns das auch immer bleiben mag.
Schmerzempfinden bei Insekten: Ein komplexes Thema
Die Frage, ob Insekten Schmerzen empfinden können, ist besonders heikel, da positive Ergebnisse ethische Implikationen für den Umgang mit ihnen hätten.
Am besten untersucht ist das Schmerzempfinden. Lange dachte man, Lebewesen, deren Gehirn keinen Neokortex hat, kennen auch kein bewusstes Empfinden und könnten also auch nicht leiden. Aber je genauer Forschende hinsehen, desto komplexer wird das Bild. Fische etwa haben keinen Neokortex, reagieren aber auf Schmerzreize mit Verhaltensweisen, die zu komplex für einen bloßen Reflex sind.
Um Schmerzen empfinden zu können, benötigt ein Organismus ein zentrales Nervensystem und Schmerzrezeptoren (Nozizeptoren), die Signale an das Gehirn senden. Die meisten Insekten verfügen über keine Nozizeptoren. Dazu passt, dass etwa eine Heuschrecke einfach weiter frisst, während sie selbst verspeist wird. Auch wenn sie ein Bein verlieren, laufen viele Insekten einfach weiter.
Allerdings gilt das nicht für alle Insekten: Fruchtfliegen etwa haben Nozizeptoren. Als Forschende um Gregory Neely Fruchtfliegen am Bein verletzten, fanden sie nicht nur, dass diese überempfindlich auf hohe Temperaturen reagierten. Sie fanden auch, dass diese Reaktion erhalten blieb, nachdem das Bein verheilt war. Fliegen empfinden nicht nur Schmerzen, sie haben auch, wie der Mensch, ein Schmerzgedächtnis, folgert Neely.
Auch Kakerlaken zeigen Schmerzreaktionen. Bei ihnen werden die Schmerzsignale durch besondere Nervenstränge zu einem Nervenknoten im Kopf geleitet. Wenn man den entfernt, lässt die Schmerzreaktion der Tiere stark nach.
Wir boten Hummeln zwei Typen künstlicher Blüten zur Auswahl: Die einen waren auf 55 Grad Celsius erwärmt worden, die anderen nicht. Zudem variierten wir die Belohnungen, mit denen wir die Tiere zu den Blüten lockten. Bei gleicher Futterration für beide Blütensorten mieden sie eindeutig die erhitzten Exemplare. Wartete an den erwärmten Blüten eine üppigere Mahlzeit, landeten die Hummeln bevorzugt dort - offensichtlich fanden sie es der Mühe wert, das Unbehagen zu ertragen. Für ein solches Abwägen war ein zeitgleiches Einwirken der Reize nicht nötig. Selbst als Hitze und Belohnung aus dem Versuchsansatz entfernt wurden, beurteilten die Insekten die Vor- und Nachteile jeder Blütensorte aus dem Gedächtnis und waren folglich in der Lage, gedankliche Vergleiche zwischen verschiedenen Möglichkeiten zu ziehen.
Bienen und andere Insekten behalten auch die Umstände, unter denen sie verletzt wurden, im Gedächtnis. Außerdem verfügen sie über spezialisierte Sinneszellen, die Gewebsverletzungen detektieren und mit Hirnregionen verknüpft sind, wo noch andere sensorische Stimuli verarbeitet und gespeichert werden. Diese Lebewesen verfügen somit über die erforderliche neuronale Ausstattung, um Schmerzerfahrungen mit Hilfe einer Top-down-Verarbeitung zu modulieren.
Insekten als Modellorganismen in der Pharmakologie
Die Erforschung von Neuropeptiden bei Insekten kann auch zu neuen Erkenntnissen für die menschliche Medizin führen. Ein Beispiel hierfür ist die Untersuchung von oxytozin-ähnlichen Neuropeptiden.
Inotozin: Ein Ameisen-Neuropeptid mit pharmakologischem Potenzial
Ein internationales Forscherteam unter Leitung der MedUni Wien konnte in einer aktuellen Studie zeigen, dass ein aus Ameisen isoliertes, oxytozin-ähnliches Neuropeptid („Inotozin“) ein besonderes pharmakologisches Wirkungsspektrum für die menschlichen Hormonrezeptoren des Oxytozin (bekannt als „Kuschelhormon“) und Vasopressin besitzt.
„Durch den Einbau einer kleinen chemischen Änderung dieses Insekten-Neuropeptids konnten wir überraschenderweise einen sehr stabilen und vor allem hochselektiven Hemmstoff des menschlichen Vasopressin V1a-Rezeptors entwickeln“, erklärt Christian Gruber vom Institut für Pharmakologie der MedUni Wien. „Dieser Ligand wurde auf menschlichem Gebärmuttergewebe getestet und konnte wirkungsvoll die Muskelkontraktion unterdrücken. Es sind nun weitere Versuche notwendig um diesen Wirkstoff hinsichtlich klinischer Anwendungen zu überprüfen.“
Potenzielle therapeutische Anwendungen
Vasopressin (auch antidiuretisches Hormon genannt) spielt insbesondere bei der Regulierung des Wasserhaushalts in den Nieren eine wichtige Rolle, kann aber auch die Durchblutung der Gebärmutter und zusammen mit Oxytozin die Wehentätigkeit während des Geburtsvorgangs beeinflussen. Ein Hemmstoff für den menschlichen Vasopressin-V1a-Rezeptor könnte daher in der Klinik bei vorzeitigen Wehen verabreicht werden, um die unerwünschte, frühzeitige Gebärmutterkontraktion zu unterdrücken.
Aber auch andere klinische Einsatzgebiete sind denkbar - zum Beispiel die Behandlung von Belastungssyndrom, Aggression, Depression oder Angstzuständen, sowie Herzinsuffizienz, Schlaganfall oder Regelbeschwerden, spielt doch der Vasopressin V1a-Rezeptor ebenso eine wichtige Rolle im Gehirn und im Herz-Kreislaufsystem.
„Unser Konzept ist neuartig und faszinierend zugleich: Man nehme ein Insekten-Neuropeptid als Botenstoff, überspringt dann etwa 600 Millionen Jahre der Evolution und dieser Stoff, mit einer kleinen chemischen Änderung versehen, eignet sich potenziell als möglicher Wirkstoff beim Menschen“, erklärt Gruber. „Ebenso wichtig ist es, diese neuartigen Moleküle als „Werkzeug“ für die Forschung bereitzustellen. Erst durch Entwicklung von rezeptorsubtyp-selektiven Stoffen ist es möglich die biochemischen Grundlagen der jeweiligen Signalsysteme zu erforschen“.
Bei Insekten wiederum gab es - im Gegensatz zu anderen Tieren - bisher noch wenige Informationen über die Biologie dieses Neuropeptid-Signalystems. „Wir konnten nun aber mit Hilfe modernster Analysen von genetischen Datensätzen zeigen, dass es in vielen Insekten ein Oxytozin- bzw. Vasopressin-ähnliches Signalsystem gibt, welches vermutlich im gesamten Tierreich funktionell verwandt zu sein scheint“, berichtet Gruber. Ziel der ForscherInnen ist es, die Zusammensetzung und Pharmakologie dieses Signalsystems generell aufzuklären.
Insektensterben und seine ökologischen Folgen
Der dramatische Rückgang der Insektenpopulationen ist eine alarmierende Entwicklung mit weitreichenden ökologischen Konsequenzen.
Viele Arten könnten in 100 Jahren ausgestorben sein. Den Insektenschwund beobachten auch Katharina Michielin und Uli Knapp. Die Hauptursache dafür sei die intensive Landwirtschaft, genauer gesagt der Einsatz von Pestiziden, die Überdüngung, die Monokulturen.
Mit dem Rückgang der Insekten kommt das gesamte Ökosystem aus dem Gleichgewicht, denn 80 Prozent der wilden Pflanzen werden von ihnen bestäubt. Zudem ernähren sich rund 60 Prozent aller Vogelarten und einige Säugetiere von Würmern, Heuschrecken und Co. Werden sie seltener, verlieren Flora und Fauna an Vielfalt.
Biologin Katharina Michielin betont die Bedeutung der Insekten als Nahrungsgrundlage für viele andere Tiere. Gibt es weniger Insekten, schrumpfen auch die Vogel-, Frosch- und Fledermauspopulationen. Sie hat gerade in den vergangenen zehn Jahren beobachtet, dass die Zahl der Krabbler zurückgeht. „Besonders der letzte Sommer, als so viele Gräser ausgetrocknet sind, hat sie stark dezimiert.“
Die Vielfalt der Insekten ist beeindruckend: Weltweit wurden bislang fast eine Million Spezies entdeckt - etwa 30.000 davon leben in Deutschland. Das sind 200 Mal so viele Insekten- wie Säugetierarten. Umso wichtiger ist es, sie näher kennenzulernen, auch um die Angst vor ihnen zu verlieren.
Die Naturschützer plädieren dafür, Insekten nicht zu töten, sondern zu retten. Anstatt die Insekten zu töten, sollten wir sie lieber retten, sagen die zwei Naturschützer.
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