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Umwelt+Natur

Heuschrecken navigieren mit doppeltem Sonnenkompass

Wüstenheuschrecke
Wüstenheuschrecke mit angedeutetem Polarisationsmuster des Sonnenlichts. (Bild: Keram Pfeiffer)

Wüstenheuschrecken wandern mitunter mehrere hundert Kilometer weit. Wie Forscher nun zeigen konnten, kombinieren sie dabei zwei verschiedene Navigationssysteme: Einerseits orientieren sie sich direkt am Sonnenstand, andererseits verarbeiten sie die Polarisation des Lichts am Himmel. Dies geschieht mithilfe von Gehirnzellen, die jeweils auf bestimmte Schwingungsrichtungen des Lichts reagieren. Daraus ergibt sich ein innerer Kompass, der den Himmel in einer 360° Sicht repräsentiert.

Wird es Wüstenheuschrecken in ihrem ursprünglichen Lebensraum zu eng, begeben sie sich auf Wanderung. In riesigen Schwärmen ziehen sie über das Land und sorgen oft für erhebliche landwirtschaftliche Schäden. Doch wie orientieren sie sich auf ihrer Wanderung? Schon 2007 stellten Forscher fest, dass sie sich nicht allein vom Wind treiben lassen. Vielmehr passen sie ihre Richtung abhängig von der Sonne an. Dabei achten sie nicht nur auf den Sonnenstand, sondern auch auf die Polarisation – die Schwingungsrichtung – des Lichts. Sie verändert sich durch atmosphärische Streuung abhängig vom Einfallswinkel der Sonne. Anders als Menschen können Insekten polarisiertes Licht wahrnehmen und sich so auch orientieren, wenn der Himmel bewölkt ist oder sie durch das hohe Gras nur einen kleinen Ausschnitt des Himmels sehen.

Himmelskarte im Heuschreckengehirn

Bisher war allerdings unklar, ob und wie Heuschrecken die beiden Navigationssysteme kombinieren. Das haben Uwe Homberg von der Universität Marburg und sein Team nun untersucht. Dafür stimulierten die Forscher afrikanische Heuschrecken der Art Schistocerca gregaria mit polarisiertem blauem Licht und untersuchten die Hirnaktivität der Insekten, während sich die Lichtquelle bewegte. „Wir haben die elektrische Aktivität gemessen, mit der Nervenzellen auf die Richtung reagieren, in der das Licht schwingt“, erklärt Hombergs Kollege und Erstautor Frederick Zittrell. „Diese Messungen haben wir an bis zu 33 Punkten eines virtuellen Himmels vorgenommen.“

Dabei zeigte sich, dass bestimmte Orientierungen des polarisierten Lichts maximale Aktivität der Neuronen auslösen; „diese Orientierung variiert, je nach Ursprung des Lichts am Himmel“, ergänzt Homberg. „Die Orientierungen über den ganzen Himmel entsprechen Polarisationsmustern, wie sie bei bestimmten Sonnenständen vorkommen. Diese werden im Zentralkomplex des Heuschreckenhirns in einer Art Kompass kodiert.“ Bestimmte Neuronen reagieren demnach jeweils auf nur bestimmte Schwingungsrichtungen des Lichts. Sie sind in der sogenannten protocerebralen Brücke der Heuschrecken wie in einer Kompassrose angeordnet. Dieser Kompass im Heuschreckengehirn stelle eine neuronale Repräsentation des Himmels dar, „sozusagen ein erwartetes Polarisationsmuster, das die Tiere mit dem tatsächlichen Muster abgleichen können“, erklärt Co-Autor Keram Pfeiffer von der Universität Würzburg. Wie die Wissenschaftler herausfanden, repräsentieren die Zellen einen sehr großen Ausschnitt des Himmels – der Zentralkomplex gleicht einem Kompass, der volle 360 Grad abdeckt.

Komplementäre Kompass-Systeme

Unter natürlichen Bedingungen hängt das Polarisationsmuster des Lichts am Himmel direkt vom Sonnenstand ab. Dennoch haben frühere Studien gezeigt, dass die Nervenzellen im Insektengehirn unterschiedlich auf direktes Sonnenlicht und polarisiertes Licht reagieren. Die Signale erschienen dabei teilweise widersprüchlich. Hombergs Gruppe konnte nun zeigen, dass sich die Signale ergänzen und im Gehirn der Heuschrecken zu einem Gesamtbild verarbeitet werden. „Das Insektenhirn ist damit in der Lage, ohne Sicht auf die Sonne deren Position aus dem Polarisationsmuster des Himmels eindeutig abzuleiten“, so Pfeiffer. Homberg zufolge fungiert der Zentralkomplex des Heuschreckengehirns als Schaltzentrale für die Navigation: „Er kombiniert alle verfügbaren Hinweise vom Himmel, um sie zu einem Kompasssignal zu verschmelzen.“

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Quelle: Frederick Zittrell (Universität Marburg) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.2005192117

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