Modellstudie erforscht Ursprünge der vollständigen Metamorphose

Ein Forscherteam von Wissenschaftlern der Freien Universität Berlin und der Princeton University hat Einblicke in die Ursprünge der vollständigen Metamorphose bei Insekten gegeben.

Mehr als 60 % aller Tierarten sind Insekten. Die Mehrheit dieser Arten durchläuft eine vollständige Metamorphose, bei der sich die Larve in eine Puppe und dann in ein erwachsenes Tier verwandelt. Ein klassisches Beispiel für diesen Prozess ist die Verwandlung der Raupe in einen Schmetterling.

Während der Puppenphase wird der Körper des Insekts komplett umgebaut, ein Prozess, der sogar die inneren Organe betrifft. Die Frage, welche evolutionären Vorteile dieser radikale Wandel bei einem so hohen Prozentsatz von Tierarten mit sich bringt, konnte bisher nicht eindeutig beantwortet werden.

Eine Hypothese ist, dass dieser Prozess ein schnelleres Wachstum im Larvenstadium ermöglicht, da sich die erwachsenen Strukturen im Puppenstadium bilden, aus dem das Tier ausgewachsen hervorgeht. Schnelles Wachstum ist oft vorteilhaft in Situationen, in denen Ressourcen knapp oder die Jahreszeiten kurz sind.

Eine neue Studie mit dem Titel „Schnelles Wachstum und die Evolution der vollständigen Metamorphose bei Insekten“ veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika, demonstriert die Plausibilität dieses Szenarios durch einen Vergleich verschiedener Insektenarten mithilfe eines mathematischen Modells.

Forscher der Freien Universität Berlin, der Princeton University und des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei untersuchten, ob Insekten im Puppenstadium schneller wachsen als Insekten, die diesen Prozess nicht durchlaufen. Zur erstgenannten Gruppe holometabolischer Insekten zählen Käfer, Schmetterlinge, Hautflügler und Fliegen, während zur letztgenannten Gruppe hemimetabolischer Insekten Blattläuse, Grillen und Heuschrecken gehören, die kein Puppenstadium durchlaufen. Die Larven holometabolischer Insekten wachsen tatsächlich deutlich schneller als die anderer Insektenarten.

Um zu zeigen, dass ein schnelles Wachstum mittels Puppenstadium evolutionär vorteilhaft ist, wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Jessica Metcalf aus Princeton ein mathematisches Modell erstellt.

„Die Ergebnisse, die wir durch die Kombination von Daten verschiedener Insektenarten mit und ohne Puppenstadium und mithilfe eines mathematischen Modells gewonnen haben, weisen nachdrücklich darauf hin, dass die vollständige Evolution der Insekten stattgefunden hat, weil nur so ein schnelles und zugleich ökologisch vorteilhaftes Wachstum gewährleistet werden konnte“, sagt die Erstautorin der Studie, Dr. Christin Manthey, Evolutionsbiologin und mittlerweile am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena tätig.

„Es gibt auch noch weitere Hypothesen, die zu erklären versuchen, warum Insekten eine Metamorphose durchlaufen, die aber bislang unerforscht sind“, sagt Forschungsleiter Prof. Jens Rolff, Biologe an der Freien Universität Berlin.

„Angesichts der wichtigen Rolle, die Insekten sowohl als Bestäuber als auch als Pflanzenfresser in unseren Ökosystemen und bei unserer Nahrungsmittelproduktion spielen, ist dieser grundlegende Aspekt ihrer Biologie von entscheidender Bedeutung für ein besseres Verständnis dieser Insekten.“