Die Sonne weist den Weg: Heuschrecke im Flug. Foto Dr. Kram Pfeiffer, Philipps-Universität

Marburg 140905 (wm) Marburger Biologen fanden heraus, wie Insekten polarisiertes Licht nutzen, um sich zu orientieren. Das Polarisationsmuster des Sonnenlichts genügt Wanderheuschrecken, um die genaue Position der Sonne zu bestimmen. Das legt eine aktuelle Studie Marburger Biologen nahe, in der diese die neuronalen Reaktionen der Insekten auf polarisiertes Licht mit dem Polarisationsmuster des Himmels verglichen. Die Wissenschaftler um Professor Dr. Uwe Homberg von der Philipps-Universität berichten über ihre Ergebnisse im Fachblatt ‚Current Biology’im September 2014.

Die Heuschrecken der Art Schistocerca gregaria legen weite Strecken zurück, wenn ihr Lebensraum in der afrikanischen Wüste zu eng wird. Das Ziel ihrer Wanderung ist genetisch festgelegt. Auf dem Weg dorthin richten sich die Tiere vermutlich nach dem Stand der Sonne. „Verhaltensexperimente haben gezeigt, dass Heuschrecken polarisiertes Licht wahrnehmen und sich daran orientieren können“, erläutert Uwe Homberg, Mitverfasser der aktuellen Studie.

Lichtwellen schwingen senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung, was eine Vielzahl von Orientierungen erlaubt. Werden die Sonnenstrahlen in der Erdatmosphäre gestreut, so schwingen sie synchronisiert in einer bestimmten Richtung – sie sind polarisiert. Die Schwingungsrichtungen finden sich dabei in konzentrischen Kreisen um die Sonne angeordnet. Bislang ist jedoch unklar, wie Heuschrecken und andere Insekten eindeutig bestimmen, in welcher Richtung die Sonne sich befindet.

„Polarisiertes Licht hat eine Periodizität von 180 Grad“, erläutert Ko-Autor Dr. Keram Pfeiffer. „Das bedeutet, dass eine bestimmte Schwingungsrichtung identisch mit einer um 180 Grad gedrehten Schwingungsrichtung  ist.“ Daher habe man bisher angenommen, dass polarisiertes Licht alleine keine eindeutige Bestimmung des  Sonnenstands zulasse.

„Unsere Studie legt nahe, dass aufgrund der Größe und Struktur des Sehfeldes diese Unsicherheit durch den Vergleich mit dem Himmelspolarisationsmuster aufgehoben wird“, führt Pfeiffer aus. Die Marburger Wissenschaftler maßen an verschiedenen Stellen des Insektenhirns die elektrische Aktivität, mit denen Nervenzellen auf künstlich polarisiertes Licht reagierten, das eine um sie rotierende Apparatur erzeugte. Dabei lösen bestimmte Orientierungsrichtungen des polarisierten Lichtes maximale Nervenaktivität aus. Die Forscher stellten fest, dass das Muster der neuronalen Aktivität dem Polarisationsmuster des Himmels bei bestimmten Sonnenständen entspricht – die Tiere verfügen gleichsam über eine neuronale Repräsentation des Himmels, die sie mit dem tatsächlichen Polarisationsmuster abgleichen können, um so den Sonnenstand zu bestimmen.

„Unsere Daten legen eine neuartige Erklärung nahe, wie im Insektengehirn das Polarisationsmuster des Himmels ausgewertet wird“, fasst Pfeiffer die Ergebnisse zusammen. „Weitere optische Signale wie der Farbgradient des Himmels können dazu dienen, das System zur Richtungsbestimmung gegenüber Störungen abzupuffern“, ergänzt Mitverfasser Miklós Bech, der in Hombergs Arbeitsgruppe seine Doktorarbeit anfertigt.
Uwe Homberg lehrt Tierphysiologie mit neurowissenschaftlichem Schwerpunkt an der Philipps-Universität. Dr. Keram Pfeiffer leitet eine Nachwuchsforschergruppe am Marburger Fachgebiet Tierphysiologie. Die aktuelle Publikation wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft finanziell gefördert.

Originalveröffentlichung: Miklós Bech, Uwe Homberg & Keram Pfeiffer: Receptive fields of locust brain neurons are matched to polarization patterns of the sky, Current Biology 2014, 
DOI: 10.1016/j.cub.2014.07.045