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Eine Frau pflückt Pilze

Pilzanbau durch Tiere

Ackerbau gibt es nicht nur beim Menschen: Neben einigen tropischen Termiten- und Ameisenarten legen auch die heimischen Ambrosiakäfer Pilzgärten an, die sie intensiv pflegen. Diese Form der Landwirtschaft ist um ein Vielfaches älter als jene des Menschen.

ÖAW Young Science 30.05.2013

Wer dabei welche Aufgaben übernimmt und wie das soziale Gruppenleben der Käfer aus Sicht der Evolution erklärbar ist, hat der Biologe Peter Biedermann in seiner Doktorarbeit untersucht. In einem Gastbeitrag gewährt er Einblick in seine Forschungsarbeit. Bei seiner Forschung ist er auf tierische Kinderarbeit und eine mögliche Methode nachhaltiger Schädlingsbekämpfung gestoßen.

Käfer als fleißige Gärtner

Von Peter Biedermann

Porträt Peter Biedermann

Biedermann

Zur Person:
Peter Biedermann, Jahrgang 1981, studierte Verhaltensbiologie sowie Ökologie und Evolution an den Universitäten Graz und Bern. In der Zeit seiner Doktorarbeit am Institut für Ökologie und Evolution der Universität Bern in den Jahren 2009 bis 2011 war er DOC-Stipendiat der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, außerdem erhielt er ein Stipendium der Roche Forschungsstiftung. Im Rahmen seiner Doktorarbeit forschte er auch am Currie-Lab der University of Wisconsin-Madison (USA). Zurzeit arbeitet Peter Biedermann als Postdoktorand in der Abteilung Insekten-Symbiosen am Max-Planck Institut für Chemische Ökologie in Jena, wo er seine Arbeiten zur Pilzzucht der Ambrosiakäfer fortsetzt. Diese Forschungen werden durch ein Stipendium für angehende Forschende des Schweizer Nationalfonds (SNF) finanziert.

Manche Ameisen-, Termiten- und Käferarten sind echte Bauern. Ihre Feldfrüchte sind allerdings nicht pflanzlichen Ursprungs: Diese Insekten kultivieren Pilze, um sich und ihre Familien zu ernähren. Wobei die Tatsache, dass sie dabei in Familiengemeinschaften leben, nicht von ungefähr kommt - der Ackerbau ist sehr aufwändig und kann somit nur in der Gruppe erfolgreich sein: Der Pilz muss ausgesät, gedüngt, vor Schädlingen geschützt und regelmäßig gepflegt werden.

Im Gegenzug bietet er Nahrung in Form von winzigen, kugelförmigen Fruchtköpern, die aus einem feinen, samtartigen Pilzrasen ragen. Die Geschichte dieser Symbiose reicht weit zurück. Vorfahren der heute lebenden Arten "erfanden" den Ackerbau vor 40 bis 60 Millionen Jahren. Der Menschen hingegen betreibt seit gerade einmal 10.000 Jahren Landwirtschaft.

Versteckt im Holz toter Bäume

Tierischen Ackerbau kennen Biologen vor allem aus den Tropen. Weitgehend unbekannt ist, dass auch hierzulande fleißige Gärtner auf sechs Beinen zu Werke gehen. Tatsächlich findet man den Kleinen Holzbohrer (Xyleborinus saxesenii), einen pilzzüchtenden Ambrosiakäfer, in Mitteleuropa sehr häufig in abgestorben Laubbäumen. Von außen ist allerdings nur ein millimetergroßes Loch in der Rinde zu erkennen: Das Nest, in dem bis zu 100 Tiere zusammenleben, liegt im Inneren des Stammes verborgen.

Käferlarven im Holz und Mikrospoaufnahme der Pilze

Biedermann

Mit freiem Auge ist das Pilzgeflecht an den Gangwänden nur als samtartige Schicht erkennbar. Das Elektronenmikroskop macht die Fruchtkörper des Pilzes sichtbar, die den Käfern als Nahrung dienen.

Wie das Gruppenleben der Ambrosiakäfer jedoch genau aussieht, war zu Beginn meiner Forschung mit den Ambrosiakäfern gänzlich unbekannt: Wie wird die universelle Währung der Evolution – der Fortpflanzungserfolg einzelner Individuen – in diesem System gehandelt? Pflanzen sich alle Bewohner eines Nestes fort? Und wenn nicht: Was bestmmt, wer freiwillig auf Fortpflanzung verzichtet? Diese Fragen waren nur durch Beobachtungen im Labor zu klären. Also experimentierte ich über mehrere Monate mit verschieden Substraten und Gefäßen, bis es mir in meiner Masterarbeit schließlich gelang, verschiede Ambrosiakäferarten in einem Gemisch aus Holzspänen und Agar (einem Nährboden auf Algenbasis) zu züchten.

Die Käfer und ihre Larven im Holz

Biedermann

Nest des Kleinen Holzborers in Buchenholz. Von außen sieht man nur das Loch des Einganges (im Bild unten); erst wenn man das Holz spaltet, kommt die Käferfamilie mit Erwachsenen (schwarz) und Larven (weiß) zum Vorschein.

Käferkinder, die für andere sorgen

Kaum in den Röhrchen, fingen die Weibchen des Kleinen Holzbohrers an Gänge in das künstliche Substrat zu bohren. Dabei infizierten sie die Tunnelwände mit Pilzsporen, die sie in ihrem Geburtsnest in spezielle Einkerbungen an ihren harten Flügeln aufgenommen hatten. Aus den Eiern, die die Weibchen nun ablegten, entwickelten sich erst madenartige Larven, dann Puppen und schließlich erwachsene Käfer – ein neues Nest war gegründet. Durch das Glas konnte ich zum ersten Mal überhaupt beobachten, wie die Käfer ihre Pilzgärten säubern, Gänge erweitern, das Nest gegen Eindringlinge schützen und durch Öffnen und Verschließen von Gängen mit Holzmehl für ein optimales Raumklima fürs Pilzwachstum sorgen.

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Völlig einzigartig ist dabei, dass auch die Larven wichtige Aufgaben im Nest übernehmen. Anstatt ausschließlich von den Müttern gefüttert zu werden, wie bei anderen sozialen Insekten, ernähren sich die Larven von mit Pilz infiziertem Holz und erweitern dabei die Gänge zu Kammern. An deren Wänden wachsen dann weitere Pilzrasen - also Futter für die Erwachsenen.

Die Käferkinder sind somit essentiell für die Ernährung anderer Gruppenmitglieder. Ihren Kot tragen die Larven entweder als Dünger auf die Pilzgärten auf oder formen ihn zu kleinen Kugeln, die von den erwachsenen Tieren leicht aus dem Nest entfernt werden können. Solches Helferverhalten, wie es sonst bei Ameisen, Bienen und Wespen vorkommt, war bei wurmartigen Larven bisher gänzlich unbekannt.

Freiwillig kinderlos

ÖAW Young Science:

Der Text ist Teil des Projektes Young Science, im Zuge dessen Gastbeiträge von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Österreichischen Akademie der Wissenschaften erscheinen. Das Projekt ist eine Kooperation zwischen Ö1/science.ORF.at und der Akademie der Wissenschaften.

In meiner Doktorarbeit habe ich mich für die evolutiven Mechanismen interessiert, die das spezielle Gruppenleben der Ambrosiakäfer geformt haben. Da ja in der Evolution jene Gene erfolgreich sein sollten, deren Träger am meisten Nachkommen produzieren, besteht immer dann Erklärungsbedarf, wenn wir ein Verhalten beobachten, dass nicht in erster Linie den eignen Fortpflanzungserfolg maximiert.

Genau das ist bei sozialen Insekten der Fall: In einem Nest pflanzen sich nur einige wenige Individuen fort – im Extremfall eine einzige Königin – alle anderen helfen bei der Aufzucht von Geschwistern und bleiben selbst kinderlos. Genau dies habe ich auch bei den Ambrosiakäfern beobachtet: Nur wenige Weibchen legten selbst Eier, die anderen halfen aber genauso fleißig mit. Die Kinderlosigkeit ist dabei nicht durch die Geburt vorherbestimmt: Anders als bei Bienen, Wespen oder Ameisen gibt es bei den Käfern keine sterilen Arbeiterinnen. Der Verzicht auf Kinder geschieht also freiwillig.

Nach einigen arbeitsintensiven Wochen verlassen jedoch die ersten Töchter das mütterliche Nest um nach einem erfolgreichen Verbreitungsflug eigene Nester zu gründen – und schließlich doch noch selbst Eier zu legen. Die Frage ist: Warum tun sie dies nicht gleich, sobald sie erwachsen sind?

Die eigenen Gene in Verwandten fördern

Die Erklärung dafür liefert die Theorie der Verwandtenselektion. Zum einen scheinen die Aussichten für einen erfolgreichen Verbreitungsflug nicht sehr groß zu sein - die Chance, dass es nicht klappt, und ein ausfliegendes Weibchen niemals ein eigenes Nest gründen kann, ist hoch. Deshalb zahlt es sich offenbar aus, nicht alles auf diese eine Karte zu setzen. Stattdessen helfen die Käfer im mütterlichen Nest noch eine Zeit lang bei der Aufzucht von Geschwistern - und leisten damit ebenfalls der Weitergabe der eigenen Gene Vorschub.

Denn die Geschwister sind ja ebenfalls Träger eigener Gene, durch ein spezielles genetisches System bei den Ambosiakäfern teilen Schwestern sogar 75 anstatt wie im „Normalfall“ bei anderen Tieren 50 Prozent ihrer Erbanlagen. Gene, die Helferverhalten gegenüber Verwandten fördern, können sich also durch diese spezielle Selektion ausbreiten.

Bekämpfung von Unkrautpilzen

Bei den Ambrosiakäfern hat mich besonders fasziniert, dass man Kooperation gleichsam auf zwei Ebenen beobachten kann: einerseits beim sozialen Leben der Gruppenmitglieder, andererseits bei der Symbiose mit den Ambrosiapilzen. Die Pilzkulturen werden nämlich offenbar von den Käfern gegen Konkurrenten verteidigt, namentlich gegen Schimmelpilze, die in den Nestern der Käfer allgegenwärtig sind. Solange die Ambrosiapilzgärten von ihren Bewohnern gepflegt werden, können sich die Schimmelpilze nicht ausbreiten. Sobald man die Käfer jedoch aus den Gängen entfernt, werden diese von Schimmel überwuchert.

Bei der Schimmelbekämpfung scheinen wiederum die Larven eine wichtige Funktion zu haben. In Experimenten haben wir gesehen, dass mehr Larven das Nest besser gegen Pilzgärten verteidigen können. In meinem nächsten Forschungsprojekt möchte ich nun zeigen, inwieweit antibiotikaproduzierende Bakterien dabei eine Rolle spielen.

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