Lecker oder faulig? Ein abstoßender Geruch hemmt bei Essigfliegen die Wahrnehmung eines angenehmen Duftes

14. März 2019    Nr. 3/2019 (198)

Essigfliegen verarbeiten gegensätzliche Düfte im Gehirn, indem ihre Wahrnehmung von schlechten Gerüchen die von guten vermindert

Foto: Benjamin Fabian

In der Natur sind Essigfliegen unterschiedlichsten Duftgemischen ausgesetzt, die sowohl anziehende als auch abstoßende Düfte enthalten. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie haben nun herausgefunden, dass unangenehme Gerüche die Wahrnehmung von angenehmen Gerüchen unterdrücken. Dies geschieht, weil  bestimmte Gehirnstrukturen, die auf attraktive Düfte ansprechen, durch einen abstoßenden Duft gehemmt werden. Die Prozesse im Gehirn  spiegeln sich auch im Verhalten der Fliegen wider: Die Fliegen meiden für sie eigentlich anziehende Duftquellen, wenn ein abstoßender Duft beigemischt ist. Das hilft ihnen dabei, verdorbene oder infizierte Futterquellen zu meiden, die tödliche Folgen für die Fliegen und ihren Nachwuchs hätten.

Essigfliegen sind bei ihrer Orientierung in der natürlichen Umgebung immer Duftgemischen ausgesetzt. Diese Mischungen bestehen oft aus Gerüchen, die sowohl attraktiv als auch abstoßend sind, wie z.B. eine mit giftigen Bakterien verunreinigte Nahrungsquelle. Die Entscheidung, sich zu nähern oder zu flüchten, ist äußerst wichtig für das Überleben und die Fortpflanzung des Tieres. Doch bislang war wenig darüber bekannt, wie im Gehirn unterschiedliche Duftstoffe in einer Mischung verarbeitet werden. In früheren Studien konnten die Arbeitsgruppen um Silke Sachse und Markus Knaden aus der Abteilung Evolutionäre Neuroethologie bereits zeigen, dass Riechkanäle, die auf anziehende Düfte reagieren, sich von denen unterscheiden, die durch abstoßende Gerüche  aktiviert werden. Außerdem verstärken sich zwei angenehme Düfte in bestimmten neuronalen Kreisläufen im Fliegengehirn gegenseitig, was sich wiederum im Verhalten widerspiegelt (siehe Pressemeldung Essensgeruch macht Fliegenmännchen attraktiv  vom 30.10.2017).

„Wir wollten in dieser Studie untersuchen, wie Geruchsmischungen mit entgegengesetzter Wertigkeit, also mit Gerüchen, die gleichzeitig anziehend und abstoßend sind, verarbeitet und wahrgenommen werden“, erläutert Ahmed Mohamed, der Erstautor der Studie,  und führt weiter aus: “Indem wir die ausgeklügelten genetischen Grundlagen der Essigfliege nutzten, konnten wir den neuronalen Mechanismus identifizieren, der es dem Tier ermöglicht, solche widersprüchlichen Situationen zu bewerten und sich entsprechend zu verhalten.“ 

Die Wissenschaftler setzten Essigfliegen der Art Drosophila melanogaster künstlichen Duftmischungen aus, die jeweils einen anziehenden und einen abstoßenden Duftstoff in einem bestimmten Verhältnis enthielten. Durch die Analyse der Gehirnaktivitäten dieser gegensätzlichen Geruchsmischungen konnten wir anhand bildgebender Verfahren zeigen, dass ein abstoßender Geruch in einer Geruchsmischung die Geruchskanäle für anziehende Stoffe spezifisch hemmt. Diese Hemmung korreliert mit einer verminderten Anziehungskraft auf die Geruchsquelle“, erklärt Silke Sachse. Auch die zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen die spezifisch daran beteiligten Nervenzellen, die für diese Mischungshemmung verantwortlich sind, wurden identifiziert.

„Unsere Daten belegen eine spezifische, hemmende Wechselwirkung im Geruchszentrum des Fliegenhirns. Durch genetische Veränderung konnten wir zeigen, dass Glomeruli, kugelförmige Funktionseinheiten im Geruchszentrum, die auf anziehende Gerüche reagieren, über bestimmte hemmende Nervenzellen mit den auf abstoßende Gerüche regierenden Einheiten im Geruchszentrum verknüpft sind“, beschreibt Ahmed Mohamed die Ergebnisse.

Allerdings zeigen nicht alle Geruchsmischungen die gleiche hemmende Auswirkung. Eine Ausnahme ist Geosmin, der typische Geruch giftiger Bakterien oder Schimmelpilze. Geosmin wird im Fliegenhirn nur von einem Rezeptortyp erkannt, und  folglich wird nur ein hochspezifischer Glomerulus aktiviert. „Es ist denkbar, dass dieser Geosmin-Glomerulus keine starken Wechselwirkungen mit anderen Glomeruli aufweist und sie entsprechend auch nicht beeinflussen kann“, spekuliert Markus Knaden, ein weiterer Autor der Studie. Ähnliche spezialisierte Wege wurden nur für den Nachweis von Sexualpheromonen, Kohlenstoffdioxid und Iridomyrmecin, dem Geruch einer parasitischen Wespe, die Essigfliegen befällt, beschrieben.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich diese neuronalen Mechanismen des Fliegenhirns auch in anderen Riechsystemen finden werden, sogar im Riechkolben von Säugetieren, und damit möglicherweise auch beim Menschen. Ein solcher Mechanismus  könnte also nicht nur Fliegen, sondern auch uns davor schützen, dass wir beispielsweise verunreinigte Lebensmittel, die sowohl angenehme als auch schlechte oder für uns gefährliche Gerüche aussenden, erkennen und meiden.  Zukünftig möchten die Forscher untersuchen, ob dieser neuronale Mechanismus noch von weiteren physiologischen Faktoren, wie beispielsweise Hunger, gesteuert wird.

Originalveröffentlichung:

Mohamed, A. M. M., Retzke, T., Das Chakraborty, S., Fabian, B., Hansson, B. S., Knaden, M., Sachse, S. (2019). Odor mixtures of opposing valence unveil inter-glomerular crosstalk in the Drosophila antennal lobe. Nature Communications.doi:10.1038/s41467-019-09069-1

Weitere Informationen:

Dr. Silke Sachse, Tel. +49 3641 57 1405, E-Mail: ssachse@ice.mpg.de, Max- Planck-Institut-für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07745 Jena               

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Angela Overmeyer M.A., Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07745 Jena, +49 3641 57-2110, E-Mail overmeyer@ice.mpg.de  

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