Forscher sagen, sie haben die Geheimnisse des internen Kompasses des Monarchenschmetterlings gelüftet.
Foto: Monarch-Uhr
Jedes Jahr ziehen Monarchfalter über Kanada und die Vereinigten Staaten hinweg mehr als 3.220 km in die relative Wärme Zentralmexikos und im Frühjahr wieder nach Norden.
Die Reise, die von Generationen von Monarchen instinktiv wiederholt wird, geht weiter, auch wenn ihre Zahl aufgrund des Verlusts ihrer einzigen Nahrungsquelle für Larven - der Wolfsmilch - gesunken ist. Jetzt glauben Wissenschaftler, das Geheimnis der internen, genetisch kodierten Kompassmonarchen gelüftet zu haben, um die Südwestrichtung zu bestimmen, in die sie jeden Herbst fliegen sollten. Ihre Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Zellenberichte am 14. April 2016.
Der Forscher Eli Shlizerman ist Assistenzprofessor an der University of Washington. Er sagte in einer Erklärung:
Ihr Kompass integriert zwei Informationen - die Tageszeit und die Sonnenposition am Horizont -, um die südliche Richtung zu finden.
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Während die Natur der Fähigkeit des Monarchenschmetterlings, die Tageszeit und den Sonnenstandort am Himmel zu integrieren, aus früheren Untersuchungen bekannt ist, haben Wissenschaftler nie verstanden, wie das Gehirn des Monarchen diese Informationen empfängt und verarbeitet. Für die Studie wollten die Forscher modellieren, wie der Kompass des Monarchen in seinem Gehirn organisiert ist.
Monarchen verwenden ihre großen, komplexen Augen, um den Sonnenstand am Himmel zu überwachen. Der Sonnenstand reicht jedoch nicht aus, um die Richtung zu bestimmen. Jeder Schmetterling muss diese Informationen auch mit der Tageszeit kombinieren, um zu wissen, wohin er gehen soll. Glücklicherweise besitzen Monarchen wie die meisten Tiere - einschließlich des Menschen - eine interne Uhr, die auf der rhythmischen Expression von Schlüsselgenen basiert.
Diese Uhr behält ein tägliches Muster der Physiologie und des Verhaltens bei. Beim Monarchenschmetterling ist die Uhr in den Antennen zentriert, und ihre Informationen gelangen über Neuronen zum Gehirn.
Biologen haben zuvor die rhythmischen Muster in Monarchantennen untersucht, die die innere Uhr steuern, und wie ihre Facettenaugen die Position der Sonne am Himmel erkennen. Für die Studie zeichneten die Forscher Signale von Antennennerven in Monarchen auf, während sie Uhrinformationen an das Gehirn sowie Lichtinformationen von den Augen übermittelten. Shlizerman sagte:
Wir haben ein Modell erstellt, das diese Informationen enthält - wie die Antennen und Augen diese Informationen dem Gehirn mitteilen. Unser Ziel war es, zu modellieren, welche Art von Kontrollmechanismus im Gehirn wirken würde, und dann zu fragen, ob unser Modell eine nachhaltige Navigation in Richtung Südwesten gewährleisten könnte.
Die Forscher modellierten, wie das Monarchengehirn die Tageszeit mit der Position der Sonne am Himmel integriert. Bild: Eli Shlizerman
In ihrem Modell steuern zwei neuronale Mechanismen - ein inhibitorisches und ein exzitatorisches - Signale von Taktgenen in den Antennen. Ihr Modell verfügte über ein ähnliches System, um den Sonnenstand anhand der Signale der Augen zu erkennen. Das Gleichgewicht zwischen diesen Kontrollmechanismen würde dem Monarchen helfen, die Richtung nach Südwesten zu erkennen.
Anhand ihres Modells scheint es auch so zu sein, dass Monarchen bei Kurskorrekturen nicht einfach die kürzeste Abzweigung nehmen, um wieder auf den Weg zu kommen. Ihr Modell enthält ein einzigartiges Merkmal - ein sogenanntes Trennstelle das würde kontrollieren, ob der Monarch nach rechts oder links abbog, um in südwestliche Richtung zu gehen. Shlizerman sagte:
Die Position dieses Punktes im Gesichtsfeld des Monarchenschmetterlings ändert sich im Laufe des Tages. Und unser Modell sagt voraus, dass der Monarch diesen Punkt nicht überschreiten wird, wenn er eine Kurskorrektur vornimmt, um nach Südwesten zurückzukehren.
Wenn ein Monarch aufgrund einer Windböe oder eines Objekts auf seinem Weg vom Kurs abweicht, wird er nach ihren Simulationen in die Richtung gedreht, in der er den Trennungspunkt nicht überqueren muss. Shlizerman sagte:
In Experimenten mit Monarchen zu verschiedenen Tageszeiten kann es vorkommen, dass ihre Richtungsänderungen ungewöhnlich lang, langsam oder mäanderförmig sind. “„ Dies können Fälle sein, in denen sie keine kürzere Richtungsänderung durchführen können, da eine Überquerung erforderlich wäre der Trennungspunkt.
Ihr Modell legt auch eine einfache Erklärung nahe, warum Monarchfalter im Frühjahr ihren Kurs umkehren und nach Nordosten in die USA und nach Kanada zurückkehren können. Die vier neuronalen Mechanismen, die Informationen über die Uhr und den Sonnenstand übertragen, müssten lediglich die Richtung umkehren.