Gehirnzellen lassen ältere Arbeiterbienen wieder die Königin pflegen

Forschende haben eine Arbeiterbiene von einer Aufgabe auf eine andere umgestellt und ihr Verhalten verändert, indem sie eine kleine Gruppe von Gehirnzellen stilllegten.

Bienen, die bereits zu alt für die Pflege ihrer Königin waren, kümmerten sich wieder um sie, solange diese Zellen inaktiv blieben. Sobald die Zellen erneut feuerten, kehrten die Tiere zu den für ihr Alter typischen Tätigkeiten zurück.

Das Ergebnis verändert die Vorstellung von Biologinnen und Biologen darüber, wie sich die Rolle einer Biene im Lauf ihres Lebens wandelt. Ältere Bienen haben die Fähigkeit zur Pflege der Königin nicht verloren. Sie halten sie als Reserve bereit; die Aktivität bestimmter Gehirnzellen schaltet sie ab, bis dieses Feuern endet.

Arbeiterbienen wechseln ihre Aufgaben mit dem Alter

In einem Honigbienenvolk gilt ein ungeschriebener Zeitplan. Mit zunehmendem Alter ändern Arbeiterbienen ihr Verhalten und durchlaufen alle dieselbe Abfolge von Aufgaben. Niemand verteilt diese Einsätze.

Die jüngsten Arbeiterinnen bleiben tief im Nest. Sie reinigen Zellen, füttern die Larven und versammeln sich um die Königin, um sie zu putzen und zu füttern.

Dieses Versammeln wird Hofstaatverhalten genannt und verbreitet den Duft der Königin im gesamten Volk.

Mit zunehmendem Alter übernimmt eine Arbeiterbiene Aufgaben in den äusseren Bereichen. Sie baut Waben, bewacht den Eingang und fliegt schliesslich zur Nahrungssuche aus.

Wie eine Studie gezeigt hat, stimmen Völker das Tempo dieser Übergänge mithilfe von Düften ab, die von Biene zu Biene weitergegeben werden.

Diese altersabhängige Arbeitsteilung ernährt die Brut, verteidigt das Nest und beschafft Nahrung – ganz ohne Plan. Bis vor Kurzem war offen, wie das Nervensystem der Biene Arbeiterinnen dazu befähigt, diese unterschiedlichen Verhaltensweisen nach einem derart verlässlichen Zeitplan auszuführen.

Gehirnzellen steuern die Aufgaben von Bienen

Dr. Jana Seiler leitete die Studie an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) im Labor des Genetikers Martin Beye. Beyes Team hatte zuvor bereits ein Gen namens doublesex mit den Aufgaben verknüpft, die eine Arbeiterbiene übernimmt, sowie mit deren Dauer.

Wie die Gruppe herausfand, kehrten ältere Arbeiterinnen zum jugendlicheren Verhalten der Königinnenpflege zurück, wenn dieses Gen ausgeschaltet wurde. Ein Gen auszuschalten ist jedoch ein grobes Werkzeug. Damit liess sich nicht klären, ob das Gen das Gehirn während der Entwicklung verschaltet oder das Verhalten von Augenblick zu Augenblick lenkt.

Forschende entwickelten einen neuronalen Schalter

Deshalb entwickelte Seiler einen Schalter, den sie ein- und ausschalten konnte. Sie brachte einen künstlich veränderten Rezeptor ausschliesslich in den doublesex-Zellen unter. Dieser Rezeptor legt ein Neuron still, wenn er auf das passende Molekül trifft.

Die Fütterung eines bestimmten Wirkstoffs betätigte den Schalter. Wurde der Stoff nicht dem Futter beigefügt, feuerten die Zellen wie gewohnt.

Der Ausschalter stammt aus der Forschung zum Gehirn von Säugetieren. Dort sind Rezeptoren wie jener der Biene, wie eine Übersichtsarbeit beschreibt, eine etablierte Methode, um die Funktion einer Gruppe von Neuronen zu prüfen.

Seiler passte das Verfahren für die Honigbiene an und richtete es auf jene Zellen aus, die durch das doublesex-Gen aktiviert werden.

Ältere Bienen pflegten die Königin wieder

Für den Test arbeitete das Team mit Bienen im Alter von 8 bis 11 Tagen. In diesem Alter hat eine Arbeiterin die Pflege der Königin normalerweise bereits beendet und andere Aufgaben übernommen. Die Forschenden setzten diese Bienen dem Duft der Königin aus und beobachteten ihr Verhalten.

Waren die doublesex-Zellen stillgelegt, verhielten sich die älteren Bienen wie junge Tiere. Sie versammelten sich bei der Königin, leckten und fütterten sie und bildeten damit denselben Hofstaat, den sie einige Tage zuvor gebildet hätten.

„Die älteren Arbeiterbienen begannen daraufhin wieder mit der Pflege der Königin, was sonst nur jüngere Bienen tun würden“, sagte Seiler.

Blieben die Zellen aktiv, ignorierten dieselben Bienen die Königin und gingen ihrer üblichen Arbeit nach.

Das Ergebnis warf einen naheliegenden Einwand auf: Vielleicht veränderte bereits der Wirkstoff, der den Schalter auslösen sollte, das Verhalten. Daher verfütterte das Team denselben Stoff an Bienen ohne den künstlich veränderten Rezeptor. Diese Bienen kümmerten sich nicht um die Königin, wodurch klar wurde, dass die stillgelegten Zellen und nicht das Futter für den Effekt verantwortlich waren.

Alte Verhaltensweisen bleiben im Gehirn erhalten

Der Befund sagt etwas Konkretes über die älteren Bienen aus. Sie hatten die Fähigkeit zur Pflege der Königin nicht verloren. Das Verhalten war in ihrem Nervensystem unverändert vorhanden und wartete auf die passenden Bedingungen, um freigesetzt zu werden.

Normalerweise hält die Aktivität der doublesex-Zellen selbst dieses Verhalten im Hintergrund. Ihr Feuern wirkt wie eine Bremse.

Überraschend ist die Richtung dieses Effekts, weil das Stilllegen von Zellen üblicherweise ein Verhalten beseitigt, statt eines hervorzubringen.

Das Ergebnis baut auf einer früheren Studie derselben Gruppe auf. Diese Arbeit zeigte, dass das doublesex-Gen nötig ist, damit eine Arbeiterin gewöhnliche soziale Aufgaben ausführen kann.

Die neue Studie geht darüber hinaus. Sie zeigt, dass das Feuern dieser Zellen – und nicht bloss das Vorhandensein des Gens – bestimmt, was eine ältere Biene tut.

Neuronale Schaltkreise steuern die Arbeit im Volk

Zuvor fehlte jede Möglichkeit, den neuronalen Schalter hinter einer Aufgabe der Biene zu erreichen. Nun gibt es eine solche Möglichkeit.

Die Verhaltensweisen, die ein Volk am Laufen halten, scheinen fest verschaltet zu sein und werden durch die Aktivität bestimmter Zellen geregelt. Diese Aktivität lässt sich dämpfen und wieder einschalten.

Wie Insektengesellschaften ohne Führungsperson funktionieren, könnte davon abhängen, die Schaltkreise im Gehirn einer einzelnen Biene zu lesen und zu steuern.

Wie teilen Bienen ihre Arbeit auf?

Zum ersten Mal können Forschende ein einzelnes Verhalten einer Arbeiterin ein- oder ausschalten und verfolgen, was danach geschieht. Diese Kontrolle macht aus einer schwierigen Frage ein Experiment.

Die Werkzeuge sind nun vorhanden, um zu untersuchen, wie ein Gehirn voller konkurrierender Schaltkreise jeweils eine Aufgabe auswählt.

Der gleiche Ansatz könnte über den Hofstaat der Königin hinaus auch andere Tätigkeiten im Zeitplan einer Arbeiterin erfassen. Beye betrachtet ihn als Zugang zu einem viel älteren Rätsel.

„Die Lösung des Geheimnisses, wie Bienen und andere Tiere ohne einen Bauplan für Arbeit so gut zusammenarbeiten, ist vermutlich in den neuronalen Schaltkreisen des Gehirns verborgen“, sagte Beye.