Abwehr von BeutegreifernDer Pups, der in die Freiheit führt

Um Fressfeinden zu entgehen, hat die Natur in mannigfaltigen Varianten hervorgebracht. Pflanzen nutzen zur Verteidigung beispielsweise Dornen, Stacheln, Gifte oder die Unterstützung von tierischen Helfern. Bei Tieren findet man oft eine starke Panzerung, Flucht, Tarnung oder die Nachahmung wehrhafter Mitgeschöpfe. Doch es geht noch raffinierter. Gut, wenn man Bombardierkäfer heißt.

Bombadierkäfer (Brachininae)

Der Bombadierkäfer - klein, aber höchst explosiv Foto: © were/stock.adobe.com

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Biochemische Selbstverteidigung der besonderen Art

Eine besonders skurrile Form der Feindabschreckung entwickelt haben die nur fünf bis fünfzehn Millimeter kleinen Bombardierkäfer, deren weltweit mehr als 500 Arten in die große Familie der Laufkäfer gestellt werden. Um ihre Fressfeinde wie z.B. Ameisen, Spinnen oder räuberisch lebende Laufkäfer abzuschrecken, greifen sie auf einen verblüffenden biochemischen Trick zurück.

Fühlen sich die Kerbtiere von einem Beutegreifer bedroht, schießen sie aus einer Pore an der Hinterleibsspitze mit vernehmbarem Knall eine stechend riechende, bitter schmeckende, und als wenn das nicht genügen würde, kochendheiße Gas-Flüssigkeitswolke zielgenau in Richtung Angreifer. Dabei gelingt es ihnen sogar unter dem Unterleib nach vorne zu schießen, denn die Käfer können ihr Hinterteil um annähernd 270° in jede beliebige Richtung
drehen. Zusätzlich erhöhen an jeder Seite der Spritzdrüse zwei sich mitbewegende, scheibenförmige Reflektoren die Treffsicherheit dieser raffinierten Lenkwaffe.Da durch einen ausgeklügelten Hautfaltenmechanismus geregelt bei einer Explosion nicht der gesamte Vorrat an Chemikalien auf einmal verbraucht wird, können die Kerbtiere sogar über ganze vier Minuten hinweg bis zu achtzigmal hintereinander schießen.

Das Sprengstofflabor der Bombardierkäfer

Anatomische Voraussetzung für dieses bemerkenswerte Abwehrverhalten ist eine aus drei Komponenten zusammengesetzte „Knalldrüse“. Zwei nierenförmige, komplex gebaute Drüsen produzieren, wie der deutsche Naturstoffchemiker Hermann Schildknecht Anfang der 1960er Jahre herausfand, ein Sekretgemisch aus Hydrochinon (C6H6O2) bzw. Toluhydrochinon und 23% Wasserstoffperoxid (H2O2), das in einer durch Muskeln und besonders geformte Hautfalten verschließbaren Sammelblase, dem Reservoir, gespeichert wird. Im Verteidigungsfall spritzen die Käfer die chemischen Substanzen in die Explosionskammer, wo sich die sehr reaktionsfreudigen Stoffe vermischen.

Zum genau richtigen Zeitpunkt geben die Insekten dann aus kugeligen Ansammlungen einzelliger Enzymdrüsen Katalase und Peroxidase hinzu, wodurch die ohnehin stark exergone Reaktion extrem beschleunigt wird. In einer heftigen Reaktion setzt die Katalase aus dem Wasserstoffperoxid Sauerstoff (O2)
frei. Zusätzlich bildet sich Wasser (H2O) (Knallgasreaktion). Unter dem Einfluss der Peroxidase reagieren die Hydrochinone zu gelben bis violetten, giftigen Benzo- und Toluchionen (C6H4O2). Die Wärmeentwicklung ist so stark, dass das entstehende Wasser verdampft und der sich aufbauende große Druck das gasförmige Abwehrsekret mit einem gut hörbaren Explosionsgeräusch bis zu 30 Zentimeter weit aus der Auslassdüse treibt. So erschrocken und besprüht tritt selbst der tapferste Räuber angewidert den Rückzug an.

Kröten finden Bombardierkäfer zum Kotzen

Jüngere Untersuchungen zum Selbstverteidigungsverhalten des in Japan lebenden Bombardierkäfer Pheropsophus jessoensis durch die Biologen Shinji Sugiura und Takuya Sato von der Kobe University haben nun eine erstaunliche Neuigkeit zur schon länger bekannten Schutzwirkung des Chemiecocktails zu Tage gebracht. In Versuchen mit 46 beziehungsweise 28 Japan-Kröten (Bufo japonicus) und Honshu-Kröten (Bufo torrenticola) denen sie Bombardierkäfer zum Fraß anboten, fanden die Forscher, wie sie im Fachmagazin „Biology Letters“ 2018 berichteten heraus, dass die chemische
Waffe auch noch im Magen der Räuber funktioniert – und das sogar recht erfolgreich. Kaum von einer Kröte verschluckt wird, wie der vernehmbare Explosionsknall im Innern der Kröten anzeigt, enzymatisch das Substanzgemisch gezündet und die etwa 100 Grad heißen, ätzenden Reaktionsprodukte ergießen sich in den Magen des Amphibiums. Daraufhin erbricht dieses und ein verschleimter Käfer krabbelt quicklebendig davon. Bei den Experimenten
überlebten etwa 43 Prozent der eingesetzten Insekten. Zwischen Verschlucken und Herauswürgen vergingen zwischen 12 und kaum glaublichen 107 Minuten.

War wirklich das Abwehrspray Auslöser des Brechreizes der Kröten? Um hierüber Gewissheit zu erlangen, reizten die Biologen jeweils die Hälfte der Käfer vor dem Experiment, so dass sie das Reservoir ihrer Knalldrüse vollständig entleerten. Wurden diese Tiere anschließend von einer Kröte gefressen, zeigte sich, dass die nun wehrlosen Käfer fast alle verdaut wurden. Ergänzende Folgeversuche brachten eine auffällige Übereinstimmung zwischen Insekten und
Krötengröße zum Vorschein. Je größer der Käfer war, desto häufiger brachte er die Kröten dazu, sich zu erbrechen. Umgekehrt reagierten kleine Kröten sensibler als große.

Anatomie einer biologischen Sprengkammer

Anatomische Detailuntersuchungen der Arbeitsgruppe um Christine Oritz vom Massachusetts Institut of Technology in Cambridge, die 2015 veröffentlicht wurden, ergaben, dass die Explosionskammer der Bombardierkäfer ihre enorme Widerstandsfähigkeit gegen die ätzenden Chemikalien einer aus Chitin, verschiedenen Proteinen und wachsartigen Verbindungen bestehenden Oberhaut verdankt. Wie Beobachtungen der Wissenschaftler mit einer Röntgenhochgeschwindigkeitskamera zudem zeigten, wird das Ausstoßen der Giftwolke in wohldosierten Kleinportionen nicht durch Muskelkontraktionen aktiv gesteuert, sondern erfolgt passiv. Nachdem die Grundkomponenten des Wehrsekretes über eine gleichsam als Ventil arbeitende Hautfalte in die Explosionskammer gelangt sind und der Schuss gezündet wurde, dehnt sich das extrem dünne Oberhautstücken aus und verschließt die Einlassklappe. Die Zufuhr der Reagenzien wird kurzzeitig unterbrochen. Danach zieht sich die Haut wieder zusammen und der Vorgang beginnt von neuem. Mit ihren Forschungen konnten die Wissenschaftler die Abläufe um die stoßweise Freisetzung der Gas-Flüssigkeitswolke konkretisieren, die bereits 2007 Gegenstand der Experimente von Novid Beheshti und Andy C. McIntosh von der Universität Leeds waren. Damals gelang den Thermodynamik-Forschern sogar, den Mechanismus der Knalldrüse nachzubauen.

In der Bionik liegt das Glück

Sicherlich mehr als eine bescheidene Fußnote wert ist die Übertragung der von der Evolution bei Bombardierkäfern hervorgebrachten Verteidigungslösung auf technische Alltagsanwendungen. Die zwischenzeitlich gewonnenen Erkenntnisse fanden gleich in mehrfacher Hinsicht Eingang in die Praxis. Die katalysierte Zündung zweier reaktiver Grundsubstanzen inspirierte den Chemieprofessor Wendelin Stark und sein Team an der ETH Zürich 2014 zur Konstruktion eines Diebstahlschutzes für Bankautomaten. Zwei Chemikalien (Wasserstoffperoxid und Mangandioxid) werden in getrennten Folien verpackt. Bei einem gewaltsamen Aufbrechen des Geldautomaten werden die trennenden Folienschichten zerstört, und große Mengen eines heißen mit färbenden Pigmenten angereicherten Schaumes bilden sich. Dieser macht die Geldscheine unbrauchbar und drückt gleichzeitig den Dieben einen bunten Erkennungsstempel auf.

Die akribischen Tüfteleien von Beheshti und McIntosh zur Funktionsweise der gasdruckabhängigen Steuerung der Eingangs- und Ausgangsventile zur Sprengkammer sowie Analysen zur Entspannungsverdampfung führten dazu, dass sich Sprühdistanz und Tröpfchengröße heute exakt dosiert einstellen lassen. Beides wichtige Voraussetzungen für die Verabreichung von flüssigen Medikamenten mit Zerstäubern.

Doch damit sind die praktischen Anwendungsmöglichkeiten sicherlich noch lange nicht am Ende. Manche Naturforscher denken intensiv über Wege der Übertragung der Explosionskünste der kleinen Geschöpfe in die Waffenproduktion oder Luft- und Raumfahrt nach.

Der Bombardierkäfer, immer noch ein unbekanntes Wesen

Trotz Jahrzehnte langer Forschungen mit und über Bombardierkäfer bleiben zahlreiche Rätsel. So lässt sich fragen, worin der Vorteil einer pulsierenden gegenüber einer kontinuierlichen Verteidigung liegt. Schützen sich die Tiere etwa damit vor einem außer Kontrolle geraten der Explosion, die zu ernsten inneren Verletzungen führen könnte? Und wie widerstehen die Kerbtiere mitunter mehr als eine Stunde den Angriffen des Verdauungssafts im Magen der Kröten? Haben die Bombardierkäfer, so die Vermutung von Sugiura und Sato, eine besondere Angepasstheit gegen die Enzyme und anderen biochemischen Substanzen im Magensaft entwickelt, oder ist das biochemische Abwehrsekret vielleicht in der Lage, deren Wirkung abzuschwächen? Offene Fragen allenthalben. Eins ist sicher. Das spannende Kapitel „Bombardierkäfer“ ist noch lange nicht zu Ende geschrieben.

Einbettung in den Unterricht

Zahlreiche empirische Studien kommen zum dem Schluss, dass je ausgefallener die im Biologieunterricht vorgestellten Naturphänomene sind, desto höher ist die Motivation der Lerngruppe sich damit intensiv zu beschäftigen. Dies wirkt sich positiv auf die Dauerhaftigkeit des Lernerfolgs aus. Lassen sich die biologischen Sachverhalte darüber hinaus mit alltäglichen Handlungsfeldern zu verknüpfen, ist das Lerninteresse noch größer. Diese beiden Grundprämissen sind im Beispiel „Bombardierkäfer“ idealtypisch vereint. Einem kleinen Tier, das sein Leben mit „Sprengstoff“ erfolgreich verteidigt – und das sogar, wenn es bereits gefressen wurde. Dem Reiz, sich mit der Biologie dieses Insekts zu beschäftigen, können sich sicherlich weder Schülerinnen noch Schüler entziehen. Und auch die Übertragung auf das Alltagshandeln kommt nicht zu kurz. Lassen sich doch die am Beispielorganismus gewonnenen Erkenntnisse zur Abwehr des medial sehr präsenten Aufsprengen von Geldautomaten einsetzen. Gleichfalls ist zu erwarten, dass aus eigener Betroffenheit oder unmittelbarer Beobachtung pharmazeutische Einsatzmöglichkeiten die Neugierde wecken. 

Primär bietet es sich an, die biochemischen Leistungen der Bombardierkäfer im Unterrichtsthemenfeld „Stoffwechsel“ bei der Behandlung von Enzymen anzusprechen. Neben allgemeinen Erläuterungen zu Bau (Grundbausteine Aminosäuren; einfache Enzyme; zusammengesetzte Enzyme = Holoenzym aus Apoenzym und niedermolekularer Wirkgruppe [prosthetische Gruppe, Cofaktor, Coenzym]; aktives Zentrum) und Funktion (Biokatalysatoren) von Enzymen kann beispielsweise über Aufgabenstellungen wie „Erklären Sie, warum Bombardierkäfer zum Auslösen der Reaktion zwei verschiedene Enzyme einsetzen müssen“ auf die spezifische Ausgestaltung des aktiven Zentrum, eingegangen werden. Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip erlaubt sie nur die Anlagerung und Umsetzung bestimmter Substrate (Substratspezifität). Da in der Explosionskammer verschiedene Substrate eingesetzt werden, müssen auch unterschiedliche Enzyme zum Einsatz kommen. Außerdem können die meisten Enzyme nur einen einzigen Reaktionstyp katalysieren; sie haben eine Wirk- oder Wirkungsspezifität.

Denkbar ist auch Einbeziehung der Abwehrstrategie der Bombardierkäfer im Unterrichtsfeld „Ökologie“. Ausgehend von der Besprechung „biotischer Faktoren“ ist bei der Analyse von „Fressfeind-Beute-Beziehungen“ der Teilaspekt „Feindabwehr“ von Relevanz. Dabei bietet sich, wenn dies im Unterricht bereits behandelt wurde, an, grundlegende Eigenschaften von Enzymen zu wiederholen. Fächerübergreifend erscheint auch hinsichtlich z. B. der Demonstration des Reaktionsablaufs eine Zusammenarbeit mit dem Fach „Chemie“ sinnvoll.

Unabhängig davon, über welchen Weg die Bombardierkäfer ihren Eingang in den Unterricht finden, faszinierende Wesen sind sie allemal.

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