image: Using the very distinctive sexual organs of male and female thistle tortoise beetle (Cassida rubiginosa), researchers at Kiel University have now been able to investigate the mechanics of the beetle reproductive organs for the first time. view more
Credit: Copyright: Dr. Yoko Matsumura
Der Penis des Distelschildkäfers ist so lang wie der Käfer selbst. Was zunächst beglückend klingt, kann bei der Paarung kompliziert sein. Denn auch die Weibchen verfügen über ein überlanges Geschlechtsorgan, das zudem spiralförmig gedreht ist. Wie die Käferfortpflanzung trotzdem gelingen kann, haben jetzt Dr. Yoko Matsumura, Dr. Alexander Kovalev und Professor Stanislav Gorb vom Zoologischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) untersucht. Im Fachmagazin Scientific Reports berichten die Forschenden, welche mechanischen Eigenschaften des Penis am besten für das Eindringen in das Weibchen geeignet sind und eröffnen neue Rückschlüsse auf die sexuelle Selektion.
Männchen und Weibchen bevorzugen aufgrund unterschiedlicher äußerer Kriterien bestimmte Sexualpartnerinnen und -partner. Evolutionär hat diese Wahl einen großen Einfluss auf Form und Aussehen der Lebewesen. Besonders deutlich wird dieser Effekt bei der Ausprägung der Geschlechtsorgane. Bisher konzentrierte sich die Forschung in diesem Bereich allerdings mehr auf das Aussehen der Organe und weniger auf deren biomechanische Funktion. Anhand der sehr ausgeprägten Sexualorgane männlicher und weiblicher Distelschildkäfer (Cassida rubiginosa) konnten Forschende der Kieler Universität erstmals die Mechanik im Fortpflanzungssystem genauer untersuchen.
Zunächst schaute Postdoktorandin Yoko Matsumura den weiblichen Käfern mit einem Laserrastermikroskop auf den Genitalapparat. Wie die meisten Insekten besitzen Käferweibchen eine Spermathek. Dort wird das Sperma eine Weile aufbewahrt, bevor die Eier befruchtet werden", sagt die Forscherin aus Japan. Der Eingang in die Spermathek ist sehr lang und spiralförmig gedreht. Die Struktur ist aber nicht gleichförmig, sondern verworren, erklärt Matsumura: Wie ein Telefonkabel hat der Spermathekengang zahlreiche Windungen, die manchmal auch in entgegengesetzte Richtungen laufen. Wir wollten herausfinden, warum die Käfer so eine Struktur haben." Seit zwei Jahren sucht das Kieler Team Antworten auf diese Frage.
Für die Wissenschaft mussten die Käfer dennoch nicht bei ihrem Liebesspiel gestört werden. Der Distelschildkäfer ist etwa so groß wie ein Fingernagel. Der Penis ist etwa zehn Millimeter lang. Sein Durchmesser beträgt zehn Mikrometer. Das ist ungefähr zehn Mal dünner als menschliches Haar. Der innere Peniskanal ist sogar nur einige Mikrometer dick. Das macht eine reale mechanische Messung in so einem intimen Bereich sehr schwer", sagt Biophysiker und Ingenieur Kovalev. Stattdessen haben die Forschenden einen mathematischen Weg gefunden. Mit einem nummerischen Modell konnten sie verschiedene Struktur-Funktion-Verhältnisse am Computer überprüfen. Kovalev: In einem ersten Schritt haben wir untersucht, wie die Form des Spermathekengangs den Geschlechtsverkehr beeinflusst. Je mehr entgegengesetzte Windungen es gab, desto mehr Energie war beim Eindringen des Penis erforderlich." Die weibliche Struktur macht den Sex für den männlichen Käfer also zu einer echten Herausforderung.
Im zweiten Schritt nahmen die Forschenden den Käferpenis genauer unter die Lupe. Mithilfe des Laserrastermikroskops haben wir Hinweise darauf gefunden, dass der Penis unterschiedlich steif ist. So ist die Penisspitze wahrscheinlich weicher als das restliche Organ", berichtet Matsumura weiter. Ausgehend von dieser Hypothese erstellten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zusammen mit Professor Alexander Filippov (Institute for Physics and Engineering, National Academy of Science, Donetsk, Ukraine) vier mathematische Modelle: Ein völlig harter und ein völlig weicher Penis sowie eine Version mit harter Penisspitze und weicher Basis und der umgekehrten Version. Mit den vier Modellen testeten sie anhand nummerischer Modellierung, welche Version sich am leichtesten in den virtuellen Spermathekengang einführen ließ.
Wir wissen nun: Es ist wichtig, wie steif der Penis ist. Am schnellsten war das Penismodell mit weicher Spitze und harter Basis", sagt Matsumura. Sie sei flexibel genug, um sich an die engen Windungen anzupassen. Die Kieler Untersuchungen zeigen, dass die physikalischen Eigenschaften des Penis bei der komplizierten Struktur des Weibchens entscheidend sind. Als wir mit dem Projekt anfingen, haben wir einen sexuellen Konflikt bei den Käfern vermutet. Unsere Forschung hat diese Annahme bestätigt. Die weibliche Struktur macht den Männchen das Eindringen schwer", fasst Matsumura zusammen. Die weiche Penisspitze sei eine männliche Strategie, um dieses Abwehrsystem" zu durchdringen.
Offen ist allerdings die Frage: Warum haben die weiblichen Käfer überhaupt so lange und verdrehte Organe, die die Befruchtung erschweren? Über die Gründe dafür können wir bisher nur spekulieren", sagt Matsumura. Eine Theorie lautet, dass die Weibchen im Verlauf der sexuellen Selektion Männchen bevorzugen, die ihren Penis schnell einführen können. Durchschnittlich haben die Käfer 40 Minuten Sex, manche Paare sogar mehrere Stunden. Dabei können sie leicht von Feinden angegriffen werden." Weitere Untersuchungen sollen Klarheit über die evolutionären Hintergründe des komplizierten Käfersex liefern. Dieser Versuch ist auch aus biomimetischer Sicht lohnenswert: Der Aufbau und die Mechanik solch filigraner Strukturen könnten neue Ideen für medizinische Mikroinjektionsnadeln liefern.
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Originalpublikation:
A. Filippov, Y. Matsumura, A. Kovalev, S. N. Gorb: Stiffness gradient of the beetle penis facilitates propulsion in the spiraled female spermathecal duct." Scientific Reports 6, Article Number 27608 (2016). DOI: 10.1038/srep27608
Link zur Originalpublikation:
http://www.nature.com/articles/srep27608
Fotos stehen zum Download bereit:
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Bildunterschrift: Stanislav Gorb, Yoko Matsumura und Alexander Kovalev (von links) vom Zoologischen Institut der Uni Kiel haben mit Laserrastermikroskopie die Geschlechtsorgane von Distelschildkäfern untersucht.
Copyright: Raissa Nickel, CAU
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Bildunterschrift: Anhand der sehr ausgeprägten Sexualorgane männlicher und weiblicher Distelschildkäfer (Cassida rubiginosa) konnten Forschende der Kieler Universität nun erstmals die Mechanik im Fortpflanzungssystem der Käfer genauer untersuchen.
Copyright: Dr. Yoko Matsumura
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Bildunterschrift: Die Laserrastermikroskop-Aufnahme zeigt den weiblichen Spermathekengang vom Distelschildkäfer. Auf der linken Seite ist der Eingang zu sehen. Rechts beginnt die Scheide der Käfer.
Copyright: Dr. Yoko Matsumura
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Bildunterschrift: Die Laserrastermikroskop-Aufnahme zeigt einen Penis vom Distelschildkäfer. Die Penisbasis (b) ist hart. Das Gewebe der Penisspitze (c) ist weicher und flexibler.
Copyright: Dr. Yoko Matsumura
Kontakt
Prof. Dr. Stanislav N. Gorb
Zoologisches Institut der CAU
Tel. 0431/880-4513
E-Mail: sgorb@zoologie.uni-kiel.de
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text: Raissa Nickel
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