Wie Hirnzellen bei Honigbienen-Arbeiterinnen über doublesex die Königinnenpflege umschalten

Forschende haben eine Honigbienen-Arbeiterin gezielt von einer Aufgabe zur nächsten umgesteuert und dabei ihr Verhalten verändert – indem sie eine kleine Gruppe von Hirnzellen stillgelegt haben.

Arbeiterinnen, die eigentlich schon zu alt sind, um ihre Königin zu umsorgen, nahmen die Pflege wieder auf, solange diese Zellen ruhig blieben. Sobald die Zellen erneut aktiv wurden, wechselten die Tiere zurück zu den Tätigkeiten, die ihrem Alter entsprechen.

Damit verschiebt sich das Bild, das Biologinnen und Biologen von der Rollenentwicklung einer Biene über ihr Leben hinweg haben. Ältere Arbeiterinnen verlieren die Fähigkeit zur Königinnenpflege offenbar nicht. Sie halten sie vielmehr „auf Abruf“ bereit: Bestimmte Hirnzellen schalten dieses Verhalten durch ihre Aktivität ab – und wenn diese Aktivität aussetzt, wird es wieder freigegeben.

Arbeiterinnen wechseln mit dem Alter ihre Aufgaben

In einer Honigbienenkolonie läuft vieles nach einem Zeitplan, den niemand aufschreibt. Arbeiterinnen verändern mit zunehmendem Alter ihr Verhalten und durchlaufen dabei eine feste Reihenfolge von Rollen. Es gibt keine Instanz, die Aufgaben verteilt, und trotzdem funktioniert die Arbeitsteilung verlässlich.

Ganz junge Arbeiterinnen bleiben im Inneren des Nests. Sie reinigen Zellen, füttern die Larven und bilden um die Königin eine dichte Gruppe, um sie zu putzen und zu versorgen.

Dieses dichte Umschwirren heisst Retinue-Verhalten; dabei wird zugleich der Duft der Königin in der Kolonie verbreitet.

Mit dem Älterwerden verschiebt sich das Aufgabenspektrum nach aussen: Die Arbeiterinnen bauen Waben, bewachen den Eingang und fliegen schliesslich zum Sammeln von Nahrung aus.

Wie schnell diese Übergänge ablaufen, wird in der Kolonie fein abgestimmt – unter anderem über Duftstoffe, die von Biene zu Biene weitergegeben werden, wie eine Studie gezeigt hat.

Diese altersbasierte Arbeitsteilung versorgt die Brut, schützt das Nest und bringt Futter ein – ganz ohne zentralen Plan. Lange blieb jedoch offen, wie das Nervensystem der Biene es ermöglicht, diese unterschiedlichen Verhaltensweisen so zuverlässig „im Takt“ abzurufen.

Hirnzellen steuern die Aufgaben von Honigbienen-Arbeiterinnen

Dr. Jana Seiler führte die Studie an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) durch, im Labor des Genetikers Martin Beye. Beyes Team hatte zuvor bereits ein Gen, doublesex, mit der Frage verknüpft, welche Aufgaben eine Arbeiterin übernimmt und wie lange sie bei einer Tätigkeit bleibt.

Wenn die Gruppe dieses Gen bei älteren Arbeiterinnen ausschaltete, rückten die Tiere wieder in ein jüngeres Verhaltensmuster zurück – sie begannen erneut, die Königin zu betreuen. Doch ein Gen „abzuschalten“ ist ein grobes Werkzeug: Damit lässt sich nicht klären, ob doublesex das Gehirn schon während der Entwicklung verdrahtet oder ob es Verhalten kurzfristig, von Moment zu Moment, lenkt.

Forschende bauten einen neuronalen Schalter

Deshalb entwickelte Seiler einen Schalter, der sich gezielt ein- und ausschalten lässt. Dazu brachte sie einen konstruierten Rezeptor ausschliesslich in den doublesex-Zellen unter. Trifft dieser Rezeptor auf das passende Molekül, wird das jeweilige Neuron heruntergeregelt und verstummt.

Bekamen die Bienen eine bestimmte Substanz ins Futter, wurde der Schalter umgelegt. Ohne diese Substanz konnten die Zellen wie gewohnt aktiv bleiben.

Die Idee für diesen „Aus“-Schalter stammt aus der Forschung am Säugetiergehirn: Dort gelten Rezeptoren nach diesem Prinzip als Standardmethode, um zu testen, wofür eine bestimmte Neuronengruppe zuständig ist, wie eine Übersichtsarbeit beschreibt.

Seiler passte den Ansatz für die Honigbiene an und zielte dabei auf jene Zellen, die durch das doublesex-Gen aktiviert werden.

Ältere Arbeiterinnen versorgten die Königin wieder

Für den Test arbeitete das Team mit Arbeiterinnen im Alter von 8 bis 11 Tagen. In dieser Phase hat eine Arbeiterin normalerweise bereits aufgehört, die Königin zu betreuen, und ist in andere Aufgaben gewechselt. Die Forschenden setzten die Bienen dem Duft der Königin aus und beobachteten anschliessend ihr Verhalten.

Wurden die doublesex-Zellen stillgelegt, verhielten sich die älteren Arbeiterinnen wie jüngere: Sie sammelten sich bei der Königin, leckten sie und fütterten sie – genau das Retinue-Verhalten, das sie einige Tage zuvor typischerweise gezeigt hätten.

„Die älteren Arbeiterinnen nahmen dann die Pflege der Königin wieder auf, was sonst nur jüngere Bienen tun würden“, sagte Seiler.

Blieben die Zellen hingegen aktiv, ignorierten die gleichen Bienen die Königin und gingen ihren üblichen Tätigkeiten nach.

Das Ergebnis brachte eine naheliegende Sorge mit sich: Vielleicht verändert nicht das Stilllegen der Zellen das Verhalten, sondern die Substanz im Futter, die den Schalter auslöst. Um das auszuschliessen, fütterte das Team die identische Substanz an Bienen ohne den konstruierten Rezeptor. Diese Tiere begannen nicht mit der Königinnenpflege – damit liess sich der Effekt den stillgelegten Zellen zuschreiben und nicht dem Futter.

Alte Verhaltensweisen bleiben im Gehirn erhalten

Die Beobachtung sagt etwas Konkretes über ältere Arbeiterinnen aus: Sie haben die Fähigkeit zur Königinnenpflege nicht eingebüsst. Das Verhaltensprogramm bleibt im Nervensystem erhalten und wartet offenbar darauf, unter passenden Bedingungen wieder freigeschaltet zu werden.

Was dieses Verhalten normalerweise „offline“ hält, ist demnach die Aktivität der doublesex-Zellen selbst. Ihr Feuern wirkt wie eine Bremse.

Unerwartet ist dabei die Richtung des Effekts: Üblicherweise führt das Stilllegen von Zellen eher dazu, dass ein Verhalten verschwindet – hier trat es dagegen wieder hervor.

Das knüpft an eine frühere Studie derselben Arbeitsgruppe an. Dort zeigte sich, dass das doublesex-Gen nötig ist, damit eine Arbeiterin gewöhnliche soziale Aufgaben ausführt.

Die neue Arbeit geht darüber hinaus: Sie macht deutlich, dass nicht nur die Anwesenheit des Gens zählt, sondern die aktuelle Aktivität dieser Zellen festlegt, was eine ältere Biene tatsächlich tut.

Neuronale Schaltkreise organisieren die Koloniearbeit

Bisher fehlte ein direkter Zugriff auf den neuronalen Mechanismus hinter einer konkreten „Berufsrolle“ der Biene – nun gibt es ihn.

Die Verhaltensweisen, die eine Kolonie am Laufen halten, scheinen im Nervensystem angelegt zu sein und werden durch die Aktivität bestimmter Zellen gezielt geöffnet oder blockiert. Diese Aktivität lässt sich dämpfen und später wieder einschalten.

Wie Insektengesellschaften ohne Führung funktionieren, könnte letztlich davon abhängen, dass man die Schaltkreise im Gehirn einer einzelnen Biene auslesen und beeinflussen kann.

Wie teilen Honigbienen ihre Arbeit auf?

Erstmals können Forschende ein einzelnes Verhalten einer Arbeiterin gezielt an- oder ausschalten und die Folgen systematisch verfolgen. Aus einer schwer greifbaren Frage wird damit ein experimentell zugängliches Problem.

Damit stehen nun Werkzeuge bereit, um zu untersuchen, wie ein Gehirn mit vielen konkurrierenden Schaltkreisen jeweils genau eine Aufgabe auswählt.

Der Ansatz dürfte sich nicht auf das Retinue-Verhalten beschränken, sondern auch andere Stationen im Aufgabenplan einer Arbeiterin erfassen. Beye sieht darin einen Zugang zu einem deutlich älteren Rätsel.

„Die Lösung für das Geheimnis, wie Bienen und andere Tiere ohne Blaupause für Arbeit so gut zusammenarbeiten, ist wahrscheinlich in den neuronalen Schaltkreisen des Gehirns verborgen“, sagte Beye.