Evolution neuer Organe an den Mundwerkzeugen der Lepidoptera

Forschungsprojekt P 13944Evolution neuer Organe an den Mundwerkzeugen der LepidopteraHarald W. KRENN24.01.2000 Die Evolution neuer Organe ist ein zentrales Problem der Morphologie und der Evolutionsbiologie. Solche evolutionäre Innovationen lösen die Entwicklung neuer Form-Funktionbeziehungen im Organismus aus, deren Evolution durch Anpassungsvorgänge an die Umwelt und durch funktionelle Notwendigkeiten erklärt werden können. Die Mundwerkzeuge blütenbesuchender Insekten stellen klassische Beispiele für Strukturen dar, die, den Anforderungen unterschiedlicher Nahrungsaufnahme entsprechend, extreme Abwandlungen der ursprünglichen Merkmale erfuhren und eine Reihe neuer Strukturen entwickelten. Besonders bemerkenswert sind die Mundwerkzeuge der Schmetterlinge (Lepidoptera), weil bei rezenten Vertretern die Evolution eines langen Saugrüssels aus den ursprünglichen beißend-kauenden Mundwerkzeugen rekonstruierbar ist. Ein kleiner Teil der beißend-kauenden Mundwerkzeuge wurde zum stark verlängerten, aus- und einrollbaren Saugrüssel der höheren Lepidoptera umgebildet, mit dem nur noch flüssige Nahrung aufgenommen werden kann. Im Vergleich zum merkmalsarmen ursprünglichen Organ weist der Rüssel eine Reihe von evolutionär neuen Strukturen auf. Dazu zählen Verbindungsstrukturen, eine kompliziert gebaute Rüsselwand, eine eigene Muskulatur und einzigartige Sinnesorgane an der Spitze. So bieten die Mundwerkzeuge der Lepidoptera die Möglichkeit, die Evolution neuer Organe zu rekonstruieren und Hypothesen unter funktionellen Aspekten der Rüsselbildung und seines neuen Bewegungsmechanismus, sowie unter dem Gesichtspunkt der Anpassungen an spezifische Nahrung zu überprüfen. In diesem Forschungsprojekt sollen die Muskulatur und die Sinnesorgane des Rüssels vergleichend untersucht und ihre Evolution durch Vergleich mit den verwandtschaftlichen Beziehungen innerhalb der Lepidoptera rekonstruiert werden. Ausgehend von der Anordnung der Rüsselmuskulatur bei ursprünglichen und abgeleiteten Lepidoptera soll auf Herkunft und Evolution der neuen Muskulatur geschlossen werden, die, so die Hypothese, im Zusammenhang mit der Verlängerung des Rüssels und der Entwicklung eines neuer Bewegungsmechanismus zu verstehen ist. Die Untersuchung der Ultrastruktur der Sinnesorgane soll die evolutive Herkunft der neuartige Sinnesorgane der Rüsselspitze klären und ihre Weiterentwicklung im Zusammenhang mit Anpassung an neuerschlossene Nahrung untersuchen. Die Untersuchungen erfordern den Einsatz moderner histologischer Techniken, vergleichender Untersuchungen mit dem Elektronenmikroskop und computergestützte Bildanalyse. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts sollen auch die Grundlagen für nachfolgende sinnesphysiologische und verhaltensbiologische Arbeiten liefern.

Die Evolution neuer Organe ist ein zentrales Problem der Morphologie und der Evolutionsbiologie. Solche evolutionären Innovationen können durch Anpassungsvorgänge an die Umwelt und durch funktionelle Notwendigkeiten neuartiger Form-Funktionskomplexe erklärt werden. Das Ziel dieses 3- jährigen Forschungsprojektes war es, am Beispiel der Mundwerkzeuge einer Insektengruppe, nämlich der Schmetterlinge (Lepidoptera), die Muskulatur und die Sinnesorgane vergleichend zu untersuchen und ihre Evolution im verwandtschaftlichen Kontext innerhalb der Lepidoptera zu rekonstruieren. Ausgehend von der Rüsselmuskulatur bei ursprünglichen Lepidoptera konnte auf die Herkunft, Evolution und Funktion eines neuartigen komplexen Muskelsystems der abgeleiteten Schmetterlinge geschlossen werden. Darüber hinaus konnte ein wesentlicher methodischer Beitrag zur mikroanatomischen Untersuchung von Insekten geleistet werden. Die Untersuchung der Sinnesorgane mit dem Elektronenmikroskop ließ auf die evolutive Herkunft der neuartigen, bizarren Sinnesorgane der Rüsselspitze schließen und konnte ihre Weiterentwicklung im Zusammenhang mit Anpassungen an neue Nahrungsquellen verständlich machen. Es gelang in einer Kooperation, die Evolution eines komplett neuen Organs im Detail zu untersuchen, das mit eigener Muskulatur und Sinnesorganen ausgestattet ist, das aber nur bei weiblichen Tieren der Yucca-Motten auftritt und im Zusammenhang mit der Koevolution zwischen Yucca-Pflanze und den bestäubenden Weibchen entstanden ist. Die Aufklärung der Morphologie dieses neuartigen Organs erlaubte es eine Hypothese über die Entwicklung neuer komplexer Organe zu erstellen, die davon ausgeht, dass vorhandene genetische Muster auf benachbarte Organe übertragen werden können. Die Mundwerkzeuge der Lepidoptera sind nun gut untersucht, was die Evolution neuartiger Muskelsysteme betrifft; sie sind das bestuntersuchte Modell für den Bewegungsmechanismus gelenkloser Extremitäten bei Arthopoden; und sind ein für Insekten ausgezeichnet untersuchtes Beispiel für ökomorphologische und verhaltensbiologische Anpassungen an spezifische Nahrung.