Thermische Grenzen der Atmung und Temperaturabhängigkeit des Energiestoffwechsels

Die Temperatur in ihrer Bedeutung als Jahresmittel als auch in ihrer mikroklimatischen Ausprägung ist ein bedeutenter abiotischer Umweltfaktor, der direkt die biochemischen und physiologischen Prozesse der Individuen beeinflußt. Der individuelle thermische Toleranzbereich ist daher von großer Bedeutung für die Fitneß und das Überleben einer Spezies. Das Wissen über den thermischen Toleranzbereich ist entscheident für unser Verständnis von Ökologie, Evolution und Physiologie, da diese Eigenschaften eine wichtige Rolle in der Verbreitung der Arten spielen. Die Atmung ist eine der grundlegenden physiologischen Prozesse, direkt involviert in den Metabolismus und die Energieversorgung. Untersuchungen zur Atmung sind daher ein gut geeignetes Mittel um die individuelle Thermotoleranz zu beurteilen. In diesem Projekt wird der thermischen Toleranzbereich der Atmung von Insekten und deren generelle Abhängikeit von der Temperatur untersucht. Das Wissen über die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Temperatur und Atmung ist unabdingbar, um die Reaktionen der Organismen auf eine sich ändernte Umwelt durch die Klimaerwärmung zu verstehen. Die zu untersuchenden Merkmale sind die oberen und unteren Lethaltemperaturen und ein Bereich mit nicht lethalen Eigenschaften. Mit Hilfe der "Thermolimit Respirometrie", einer Messung der Atmung in Abhängigkeit von der Temperatur und dem begleitenden Aktivitätsmonitoring, werden diese Grenzen ermittelt. Das Überleben in einer sich ändernden Umwelt wird aber nicht nur von den thermischen Grenzen bestimmt. Ein erhöhter Stoffwechselumsatz, bedingt durch eine erhöhte Temperatur, kann für ein Insekt tödlich sein, wenn die Energieversorgung ein limitierender Faktor ist. Zusätzlich zur Bestimmung der "Thermolimits" wird daher der Ruhestoffwechsel (auch "Basalstoffwechsel") im gesamten thermischen Lebensbereich der Tiere bestimmt. Dieses typische energetische Merkmal ermöglicht den Vergleich verschiedener Arten betreffend ihrer energetischen Leistung. Die Summe dieser thermischen Eigenschaften sollte eine Bewertung der Temperaturtoleranz und den Vergleich von verschiedenen Arten betreffend ihrer Fitneß und Überlebensfähigkeit in einer sich ändernden Umwelt ermöglichen. Die Studie will einen Überblick der thermischen Eigenschaften von einigen einheimischen Insekten mit ökologischer und ökonomischer Bedeutung (Ameisen, Wespen, Käfer und Wanzen), in der gemäßigten Klimaregion von Mitteleuropa (Steiermark/Österreich), geben. Als Kontrast werden einige eingewanderte Arten untersucht. Die so gewonnenen Ergebnisse sind von globaler Bedeutung, da die Studie erstmals Atmung, Stoffwechsel und Aktivitätsfähigkeit von heimischen und verwandten zugewanderten Insekten in ihren gesamten Lebenstemperaturbereichen vergleicht.

Die geographische Verbreitung, Häufigkeit, Wachstum, Überlebensrate und Sterblichkeit von Insekten ist stark beeinflusst von abiotischen Umweltfaktoren wie der Temperatur. Die Temperatur in ihrer Bedeutung als Jahresmittel als auch in ihrer mikroklimatischen Ausprägung beeinflusst direkt die biochemischen und physiologischen Prozesse der Individuen. Die Atmung ist eine der grundlegenden physiologischen Prozesse, direkt involviert in den Stoffwechsel und die Energieversorgung. Untersuchungen zur Atmung sind daher ein gut geeignetes Mittel um die individuelle Thermotoleranz und Fitness zu beurteilen. Das Wissen über den thermischen Toleranzbereich der Tiere ist entscheidend für unser Verständnis von Ökologie, Evolution und Physiologie. Bei Bienen, Wespen und anderen Insekten wurde der thermische Toleranzbereich der Atmung und deren generelle Abhängigkeit von der Temperatur untersucht. An zwei europäischen Honigbienen-Rassen konnte gezeigt werden, dass sie sich im Laufe der evolutionären Anpassung gut an die lokalen Klimaverhältnisse adaptiert haben. Die italienische Ligustica-Biene, bei der wir eine höhere Letaltemperatur ermittelten als bei der heimische Carnica-Biene, ist besser an die hohen Temperaturen des mediterranen Klimas angepasst. Sie hat damit möglicherweise auch Vorteile unter zukünftigen Klimabedingungen mit vermehrt auftretenden Hitzewellen. Untersuchungen der Atmung von einheimischen Feldwespen erbrachten Einblicke in die Anpassungen an die mikroklimatischen Verhältnisse am Nest. Die Messung des Basalstoffwechsels der Wespen mit Hilfe des abgegebenen Kohlendioxids ergab eine exponentielle Zunahme der Kohlendioxidproduktion mit der Umgebungstemperatur. Mikroklimatische Temperaturmessungen am Nest zeigten, dass sich die Tiere meistens im unteren Temperaturbereich der ermittelten Basalstoffwechsel-Kurve befinden. Eine Zunahme der durchschnittlichen Temperatur würde einen exponentiellen Anstieg des Energiebedarfs zur Folge haben, was erhebliche Konsequenzen für das Überleben der Tiere haben kann. Vergleichende Untersuchungen der thermischen Limits und der Nistgewohnheiten der heimischen Feldwespen mit einer verwandten, südlichen Nachbarart im mediterranen Italien offenbarten Anpassungen im Verhalten und in der Physiologie der Tiere an die jeweiligen klimatischen Verhältnisse. Derartige Untersuchungen wurden auch an heimischen und invasiven Wanzen in Österreich durchgeführt und deren ökophysiologische Anpassungsmechanismen an die Klimaverhältnisse beschrieben. Dieses Wissen über die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Umweltfaktoren und physiologischen Reaktionen ist unabdingbar, um die Reaktionen der Organismen auf die Klimaerwärmung zu verstehen und Prognosen zu ermöglichen.