Energetik und thermische Toleranz der Brut von Feldwespen

Der Klimawandel wird Änderungen in der Verbreitung der Arten, als auch Anpassungen im Verhalten und der Physiologie der Tiere bewirken, um mit den geänderten Bedingungen fertig zu werden. Die Temperatur ist wahrscheinlich der wichtigste Parameter, der die physiologischen Prozesse von ektothermen Insekten bestimmt. Wie flexibel Organismen auf Temperaturänderungen reagieren können, wird ihr Bestehen in einer veränderten Umwelt bestimmen. Der Stoffwechsel ist eine Schlüsselkomponente im Energiehaushalt und ein wesentlicher Parameter fürs Überleben. Feldwespen sind primitive eusoziale Insekten die prinzipiell heterotherm sind. Aber sehr viel Zeit in ihrem Lebenszyklus sind sie ektotherm, d.h. ihre Körpertemperatur ist ähnlich der Umgebungstemperatur. Somit sind sie auch repräsentativ für ektotherme Insekten, die einen Großteil der Insektenwelt ausmachen. Sie sind ein Modellorganismus für Verhaltensstudien und sind gut geeignet für ökophysiologische Untersuchungen zur Anpassung an das Mikroklima im Habitat und den Einfluss des Klimawandels auf das Überleben. Das Ziel dieser Untersuchungen ist es die Anfälligkeit verschiedener Feldwespen-Arten aus unterschiedlichen Klimaregionen auf den Klimawandel zu erforschen. Wir wollen die Anpassungsmechanismen untersuchen mit denen die Brut der Wespen in ihrem Stoffwechsel und ihren thermischen Eigenschaften an ihre unterschiedlichen Habitate angepasst ist. Die Ergebnisse sollen zeigen wie die Arten von einem Temperauranstieg bedroht sind und wie sie mit unterschiedlichen Erfolg auf den Klimawandel reagieren könnten. Die Untersuchungen werden mit Arten aus dem mediterranen Klima (Polistes dominula, Polistes gallicus), dem mitteleuropäischen, gemäßigten Klima (P. dominula) und einer alpinen Art (P. biglumis) durchgeführt. Der Stoffwechsel wird durch Messung des Kohlendioxids, das bei der Atmung entsteht, ermittelt. Die oberen und unteren Letalgrenzen werden respiratorisch bestimmt, d.h. es wird der Zeitpunkt ermittelt an dem die Atmung aussetzt. Die molekulare Antwort auf Kälte- und Hitzestreß wird durch die Bestimmung eines Hitzeschock-Proteins erforscht (hsp70). Diese Proteine schützen vor Schäden durch Temperaturstreß oder reparieren diese. Die Körpertemperatur und das Mikroklima der Nester wird gemessen, um den Temperaturstreß zu ermitteln und die energetischen Kosten der Kolonien unter gegenwärtigen und zukünftigen Klimabedingungen berechnen z u können. Zurzeit ist über den Energiebedarf, der thermischen Toleranz und der molekularen Reaktion auf Temperaturstreß bei der Brut von Feldwespen noch nichts bekannt. Der umfassende Ansatz, die thermische Reaktion und das Mikroklima zu bestimmen wird es uns ermöglichen, den Einfluss des Klimawandels auf diese Insekten zu erforschen. Zusammen mit den Erkenntnissen des letzten Projektes, das sich mit den erwachsenen Tieren beschäftigte, könnten sich die Feldwespen als Modellorganismus für die energetische Forschung an primitiven, eusozialer Wespen unter dem Aspekt künftiger Klimaszenarien etablieren. Die Studie wird von der Arbeitsgruppe Ökophysiologie, (H. Kovac, A. Stabentheiner) am Institut für Biologie an der Universität in Graz durchgeführt. Die Untersuchung der Hitzeschockproteine erfolgt in Kooperation mit Jesper Givskov Sørensen vom Department of Bioscience von der Aarhus University in Dänemark.

Die Temperatur ist ein wichtiger Parameter, der die physiologischen Prozesse von Tieren bestimmt. Wie flexibel Organismen auf Temperaturänderungen reagieren können, hat einen großen Einfluss auf ihr Überleben in einer sich änderten Umwelt durch den Klimawandel. Für unsere Untersuchungen wählten wir Feldwespen, die sehr weit verbreitet sind und verschiedene Ökosysteme bewohnen. Das Ziel dieser Studie war, die Anpassung der Brut (Larven und Puppen) verschiedener Feldwespenarten an ihren Lebensraum zu erforschen und die Auswirkungen des Klimawandels abzuschätzen. Wir untersuchten wie sie in ihrem Stoffwechsel und ihrer thermischen Resilienz an das Mikroklima ihrer unterschiedlichen Habitate angepasst sind. Durch Berechnung des Energiebedarfs für eine gesamte Saison konnten wir zeigen, wie stark die einzelnen Arten von einem Temperaturanstieg bedroht sind. Die Untersuchungen wurden mit Arten aus dem mediterranen Klima (Polistes dominula, Polistes gallicus), dem mitteleuropäischen gemäßigten Klima (Polistes dominula) sowie einer alpinen Art (Polistes biglumis) durchgeführt. Der Stoffwechsel wurde durch Messung der Kohlendioxid-Produktion ermittelt. Die obere thermische Lethalgrenze wurde respiratorisch bestimmt (Aussetzen der Atmung) und die molekulare Antwort auf Hitzestress wurde durch die Bestimmung von Hitzeschockproteinen erforscht. Das Mikroklima bei den Nestern wurde während der gesamten Saison erhoben um die energetischen Kosten der Kolonien unter gegenwärtigen und zukünftigen Klimabedingungen berechnen zu können. Der Stoffwechsel wurde über den gesamten Temperaturbereich (5-45 C) gemessen, dem die Wespen während einer Saison (Mai-September) ausgesetzt sind. Überraschenderweise hatten die drei Arten sowohl bei den Larven als auch bei den Puppen eine sehr ähnliche Stoffwechselrate. Die CO2-Produktion war bei kühlen Temperaturen am niedrigsten und stieg dann mit zunehmender Temperatur exponentiell an. Larven und Puppen hatten eine sehr ähnliche Stoffwechselrate, was ebenfalls überraschend war, da bei anderen Insekten die Larven meist einen höheren Stoffwechsel haben. Die kritischen thermischen Maxima (Lethalgrenze) waren bei allen Arten sehr ähnlich und bewegten sich zwischen 47,6 und 48,8C. Ein experimenteller Hitzestress von 45C bewirkte eine vermehrte Produktion von Hitzeschockproteinen, die mögliche Schäden reparieren sollen. Die verschiedenen Arten reagierten aber unterschiedlich auf den Hitzestress. Die Berechnung des Energiebedarfs von Larven oder Puppen mithilfe der Stoffwechsel- und Mikroklimadaten zeigten, dass die einheimischen Wespen aus dem gemäßigten Klimabereich und die mediterranen Wespen annähernd den gleichen Energiebedarf während einer Saison haben, wohingegen die alpine Art einen deutlich niedrigeren Bedarf hat. Wir vermuten, dass es sich dabei um eine Anpassung an die ungünstigeren Witterungsbedingungen handelt, die ihnen weniger Möglichkeiten zum Sammeln von Nahrung bieten. Das zeigt, dass die Tiere sich an die mikroklimatischen Verhältnisse optimal angepasst haben indem sie einen energiesparenden Lebensstil entwickelt haben. Die Berechnungen mit höheren Temperaturen unter zukünftigen Klimaszenarien zeigten, dass der Energiebedarf der Tiere generell ansteigt und bei der alpinen Art am stärksten. Diese Art ist deshalb am meisten vom Klimawandel bedroht.