So überleben Bombus impatiens-Hummelköniginnen mehr als eine Woche unter Wasser

Überraschende Überlebensfähigkeit von Bombus impatiens

Als Forschende 2024 feststellten, dass Hummelköniginnen nach mehr als einer Woche vollständig unter Wasser offenbar ohne Schaden wieder auftauchen können, sorgte das für grosses Staunen.

Eine neue Studie zeigt nun, wie ihnen dieses Kunststück gelingt. Zu ihrem Überlebensrepertoire gehört die aussergewöhnliche Fähigkeit, Sauerstoff direkt aus dem umgebenden Wasser aufzunehmen – sie können also vorübergehend tatsächlich unter Wasser „atmen“.

Für das Herz einer Kolonie kann diese Anpassung in einer akuten Notlage entscheidend sein, etwa wenn ein Bau überflutet wird: Die Königin übersteht die Krise und kann die Kolonie wieder aufbauen, sobald die Bedingungen wieder stabiler sind. Gleichzeitig deutet die Entdeckung darauf hin, dass manche Arten bislang unterschätzte Reserven an Widerstandskraft gegen extreme Umweltbedingungen besitzen.

„Unsere Ergebnisse“, schreibt ein Team um den evolutionsphysiologischen Forscher Charles Darveau von der Universität Ottawa in Kanada, „zeigen eine bemerkenswerte Strategie der Überflutungstoleranz und liefern eine Grundlage, um die Grenzen, Mechanismen und die ökologische Bedeutung des Unterwasserüberlebens bei terrestrischen Insekten zu untersuchen.“

Jeden Winter verfallen einige Insektenarten in eine Phase stark gedrosselter Entwicklung und eines heruntergefahrenen Stoffwechsels, die als Diapause bezeichnet wird. Für bestimmte Hummelköniginnen bedeutet das: Sie suchen sich einen geschützten, warmen Unterschlupf im Boden, ziehen sich zurück und „schlafen“ gewissermassen über längere Zeit.

Doch selbst ein noch so gemütlicher Bau bleibt nicht zwangsläufig sicher. Ruhestätten unter der Erde sind anfällig für Überflutungen – und eine Hummel in Diapause ist zu träge, um schnell genug zu reagieren, wie es ein solches Ereignis eigentlich erfordern würde.

Starkregen, Schneeschmelze oder ein ansteigender Grundwasserspiegel können einen Bau unter Wasser setzen; solche Ereignisse treten nicht unbedingt regelmässig auf, aber unvorhersehbar – und sie bergen ein Risiko, auf das sich offenbar zumindest eine nordamerikanische Art eingestellt hat: Bombus impatiens.

Bereits 2024 berichteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass Königinnen von B. impatiens nach bis zu einer Woche unter Wasser eine sehr hohe Überlebensrate haben – etwa 90 Prozent.

Unterwasseratmung, anaerober Stoffwechsel und „tiefe metabolische Depression“

Jetzt wird klar, welche Kombination dahintersteckt: Unterwasserrespiration, anaerober Stoffwechsel und eine „tiefgreifende metabolische Depression“ – also ein Zustand extrem stark reduzierter Stoffwechselaktivität.

In Laborversuchen mit Dutzenden Königinnen in winterlicher Diapause setzten die Forschenden die Hummeln in kaltes Wasser und beobachteten dabei Stoffwechsel und Gasaustausch.

Messungen des Gasaustauschs

Der Gasaustausch wurde sowohl im Wasser gemessen, in dem die Tiere untergetaucht waren, als auch in der Luft der Kammer oberhalb der Wasseroberfläche. Das Team verfolgte die Konzentrationen von Kohlendioxid und Sauerstoff und stellte fest: Kohlendioxid nahm nur minimal zu, während Sauerstoff abnahm. Dieses Muster passt zu Atmung – die Hummeln nahmen Sauerstoff aus dem Wasser auf und gaben Kohlendioxid ab.

Anaerober Stoffwechsel als Zusatzstrategie

Gleichzeitig zeigte sich bei den untergetauchten Tieren eine Anreicherung von Laktat. Wenn dem Körper nicht genug Sauerstoff zur Verfügung steht, schalten Zellen auf einen Stoffwechselweg um, der Energie ohne Sauerstoff erzeugt. Laktat entsteht dabei als Nebenprodukt dieses anaeroben Stoffwechsels.

Stoffwechsel auf das Überlebensminimum heruntergefahren

Schliesslich wird die gesamte Stoffwechselaktivität auf das absolute Minimum gedrückt, das zum Überleben nötig ist. Schon die Diapause senkt den Stoffwechsel einer Königin um mehr als 95 Prozent. Das Untertauchen reduziert ihn noch weiter.

Das lässt sich über Kohlendioxid als Stellvertretergrösse für den Stoffwechsel nachvollziehen: Vor dem Untertauchen produzierten Königinnen in Diapause etwa 15.42 Mikroliter Kohlendioxid pro Stunde und Gramm Körpermasse. Nach acht Tagen unter Wasser fiel dieser Wert auf 2.35 Mikroliter – also auf ungefähr ein Sechstel des Ausgangsniveaus.

In der Summe ermöglichen diese Prozesse den Königinnen, Sauerstoff aus dem umgebenden Wasser aufzunehmen, während ihr Energiebedarf zugleich extrem niedrig bleibt.

Was noch offen ist

So elegant diese Überlebensstrategie wirkt, einige Punkte sind weiterhin nicht abschliessend geklärt. Das Team konnte nicht eindeutig bestimmen, auf welchem Weg B. impatiens den Sauerstoff aus dem Wasser gewinnt. Die Forschenden vermuten, dass die Königinnen eine physikalische Kieme nutzen – eine dünne, eingeschlossene Luftschicht, die Gase mit dem Wasser austauscht –, konnten dies jedoch bislang nicht bestätigen.

Ausserdem möchten sie verstehen, wo die Grenzen dieser aussergewöhnlichen Fähigkeit liegen.

„Zukünftige Studien, die Wasserbedingungen und die wahrscheinliche physikalische Kieme gezielt variieren und zugleich detaillierte Erholungsanalysen durchführen, werden die Anpassungen, die es Königinnen ermöglichen, eine verlängerte Unterwasserphase zu überstehen, weiter präzisieren“, schreiben sie.

Die Studie wurde in den Proceedings der Royal Society B: Biologische Wissenschaften veröffentlicht.