Forscherinnen und Forscher der Uni Kiel entschlüsseln die überlegenen Haltekräfte der Seehundlaus, ein Parasit auf der Haut von Seehunden, unter extremen Bedingungen im Meer.
Die Ergebnisse tragen zu neuen Erkenntnissen über Parasiten im Meer bei und geben Impulse für die Entwicklung von Unterwassergreifern nach dem Vorbild der Natur. Die neue Studie ist kürzlich in der Nature-Fachzeitschrift Communications Biology erschienen.
Nur 13 Insektenarten leben in Meer
Insekten sind die vielfältigste und artenreichste Tiergruppe und kommen in fast allen Lebensräumen auf der Erde vor. Trotz ihrer weiten Verbreitung an Land, ist ihr Vorkommen im Meer erstaunlich gering. Tatsächlich gibt es nur eine einzige Insektengruppe mit lediglich 13 Arten, die über lange Zeiträume im offenen Meer überleben kann. Eine davon ist die Seehundlaus, ein obligater Ektoparasit von Robben, der sich außen an das Fell ihrer marinen Wirtstiere wie Seehunde oder Kegelrobben festhält und sich von deren Blut ernährt. Das zwei Millimeter große Insekt kommt in der Nordsee und Ostsee vor, übersteht tiefe Tauchgänge, große Temperaturschwankungen und verliert auch bei hohen Schwimmgeschwindigkeiten nicht den Kontakt zu ihrem Wirtstier.
Außerordentliche Haltekräfte
Forscherinnen und Forscher der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es nun gelungen, den Mechanismus dieses wirkungsvollen wie auch komplexen Verklammerungssystems der Seehundlaus zu entschlüsseln, seine Struktur und die Materialzusammensetzung der Hautschicht (Cuticula) zu analysieren und die von den Seehundläusen erzeugten außergewöhnlichen Haltekräfte unter Laborbedingungen zu messen. Die Ergebnisse tragen zu neuen Erkenntnissen über Parasiten im Meer bei und geben Impulse für die Entwicklung etwa von Unterwassergreifern nach dem Vorbild der Natur. Die neue Studie ist kürzlich in der renommierten Nature-Fachzeitschrift Communications Biology erschienen.
Angepasst an Salzgehalt und hohen Druck
Saugläuse wanderten vor Millionen von Jahren mit ihrem Wirt, den Robben, vom Land zurück ins Meer und mussten sich als ehemalige Land-Insekten an einen völlig neuen Lebensraum mit neuen Herausforderungen anpassen. Eine dieser 13 Läusearten ist die Seehundlaus, Echinophthirius horridus. Sie überlebt extreme Bedingungen im Meer wie hohen Salzgehalt, Sauerstoffmangel (Hypoxie), schwankenden Temperaturen von rund 30 Grad an Land bis zu 0 Grad im Meer, außergewöhnlich hohen hydrostatischen Druck und hohen Strömungswiderstand während die Robben auf ihren 20- bis 25-minütigen Tauchgängen sind. Da der Kontaktverlust zum Wirt bei Schwimmgeschwindigkeiten von etwa 18 bis 20 km/h den sicheren Tod der Laus bedeutet, setzt sie alles daran, um sicher und dauerhaft auf ihrem Wirt bleiben zu können. Dies gelingt ihr mit einem im Vergleich zu anderen Insekten außergewöhnlich hohem Haltevermögen.
„Parasiten wie die Seehundlaus sind perfekt an die Lebensbedingungen im Meer angepasst und verfügen über außergewöhnliche Werkzeuge, um sich am Fell von Robben festzuklammern. Wenig erforscht sind aber die Mechanismen, mit denen sie sich an ihren Wirten festkrallen und wieder lösen. Dazu konnten wir in unserer Studie neue Erkenntnisse liefern“, sagt Anika Preuss, die zu diesem Thema am Institut für Zoologie in der Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik an der CAU promoviert.
Besonderer Klammermechanismus
Im Gegensatz zu anderen Vertretern von Läusen, die sich ebenso von außen an ihre Wirtstiere klammern, verwenden Seehundläuse eine stark modifizierte Mechanik vergleichbar mit Karabinerhaken. Das System erlaubt es ihnen gleichzeitig, sich wiederholt, aber dauerhaft am Fell des Wirtstiers zu verklammern und sich ebenfalls wieder von diesem zu lösen. Das ist immer dann erforderlich, wenn Wirtstiere sterben oder die Nachkommen der Laus auf eigene Wirtstiere wechseln. „Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Laus mit ihren sechs Krallen über spezielle Greiforgane verfügt, mit denen sie sich außergewöhnlich gut festhalten kann. Neben ihren ausgeprägten Krallen besitzt die Laus zusätzlich weiche, polsterartige Strukturen an der Innenseite der Kralle, die wie eine Art Gummiring funktionieren. Wenn die Laus die Kralle schließt, kommen diese weichen Pads in direkten Kontakt mit dem Seehundhaar und erhöhen dabei die Reibung am Haar, so dass die Laus nicht einfach vom Fell des Seehunds abrutschen kann. Ein System, das ziemlich effizient unter Wasser und zudem bei sehr stark variablen Haardurchmessern funktioniert,“ erklärt Anika Preuss.
Höchstes je bei Insekten gemessenes Haltevermögen
Für die morphologischen Untersuchungen analysierten die Kieler Forscherinnen und Forscher die Läuse mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie (REM) und anhand konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM). Darüber hinaus führten sie Kraftmessungen an lebenden Läusen durch und verglichen ihre Ergebnisse mit Verklammerungssystemen von parasitären und nicht-parasitären Insekten. Die Seehundläuse wurden in aufwändigen Feldarbeiten von Wissenschaftlerinnen des Instituts für Terrestrische und Aquatische Wildtierforschung der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo) an Seehunden und Kegelrobben aus der Nord- und Ostsee beprobt und in der Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik untersucht. Forschende der TiHo analysierten ferner histologische Schnitte der Läuse und stellte wichtige Informationen zur Ökologie und dem Verhalten der Tiere zur Verfügung.
Seehundlaus hält 18.000-fach das eigene Körpergewicht
Für die Kraftmessungen hatte die Promovierende Anika Preuss die lebenden Seehundläuse an menschlichen Haaren befestigt und unter Wasser mit dem Seehundfell in Kontakt gebracht. Sobald die Seehundläuse an den menschlichen Haaren befestigt und unter Wasser Halt am Seehundfell gefunden hatten, wurden das Haltevermögen der Seehundläuse an Seehundhaaren dreimal täglich gemessen. Die Ergebnisse der Kraftmessungen waren erstaunlich. Die Seehundläuse zeigten außergewöhnlich hohe „Safety Factors“ (Haltekraft pro Körpergewicht) von 4.500 bis hin zu Werten um 18.000. Das bedeutet: die Seehundlaus hat sich mit dem 18.000-fachen ihres eigenen Körpergewichts an den Haaren verklammert. Ein vergleichbares Haltevermögen kann zum Beispiel bei sessilen, dauerhaft haftenden Meeresorganismen wie Seepocken gemessen werden. „Damit weisen die Seehundläuse die höchsten Haltekräfte auf, die unseres Wissens nach jemals bei Insekten gemessen wurden“, sagt Erstautorin Preuss.
Vorbild für zukünftige Unterwassergreifer
Die Ergebnisse der neuen Studie tragen einerseits dazu bei, die Rolle und funktionalen Anpassungen von Parasiten im Meer und an Meeressäugern besser zu verstehen. Andererseits lassen sich die Erkenntnisse aus der funktionalen Untersuchung dieser spannenden biologischen Systeme auf die Materialwissenschaft und -technik übertragen. „Am Beispiel der Seehundlaus lassen sich viele Herausforderungen aufzeigen, die mit Struktur-Funktions-Beziehungen bei marinen Wildtieren verbunden sind“, sagt Professor Stanislav Gorb, der sich in seiner CAU-Arbeitsgruppe „Functional Morphology and Biomechanics“ mit mechanischen Systemen und Materialien beschäftigt, die in der biologischen Evolution entstanden sind. „Der Klammermechanismus könnte uns also Hinweise für Innovationen im Bereich der Unterwasser- oder Universalgreifer liefern. Die Parasiten zeigen uns dafür hochspezialisierte Mechanismen und Strukturen“, so Gorb weiter, der auch am DFG-Schwerpunktprogramm „Physics of Parasitism“ (PoP) beteiligt ist, das von der Universität Würzburg geleitet wird. Ziel des Schwerpunktprogramms, in diesem die Forschenden der Uni Kiel mit ihren Kolleginnen und Kollegen der TiHo in Büsum zusammenarbeiten, ist es, die physikalischen Bedingungen und mechanischen Kräfte, die an der dynamischen Parasit-Wirt-Grenzfläche wirken, zu messen und zu verstehen sowie die Materialeigenschaften und die Mechanik von Parasiten in ihren Nischen zu untersuchen.
