Ameisen und COVID-19 – auf den ersten Blick sieht man da eher keine Verbindung. Dabei sind Ameisen wie wir Menschen soziale Tiere, die in räumlicher Enge zusammenleben und intensive Kontakte untereinander pflegen. Wie die Ameisen verhindern, dass sich eingeschleppte Infektionen in der ganzen Kolonie ausbreiten, ist ein Forschungsgebiet von Simon Tragust, der aktuell am Zoologischen Institut der Universität Halle tätig ist, und gerade die Ergebnisse seiner Bayreuther Postdoktorandenzeit publiziert hat (eLife 9: e60287).
„Als soziale Tiere haben Ameisen vermehrte Kontakte zum Beispiel bei der Aufzucht ihrer Jungen“, erklärt der Zoologe. „Solche engen Kontakte haben aber nicht nur Vorteile, sondern auch Nachteile wie eben die Gefahr der Ausbreitung von Krankheiten.“ Da Ameisen sich nicht nur gegenseitig putzen und pflegen, sondern auch Nahrung untereinander austauschen, können Bakterien und Pilze schnell von einem Tier zum anderen gelangen. Um dies zu verhindern, ergreifen Ameisen jede Menge Maßnahmen. Bereits die Organisation ihrer Kolonie trägt dazu bei, die Ausbreitung von Krankheiten zu unterbrechen. So haben die einzelnen Tiere spezielle Aufgaben, die zu einer Gruppen- beziehungsweise Clusterbildung führen. Innerhalb dieser Gruppe hat jedes Tier dann zwar viele Kontakte, aber die Gruppen sind voneinander weitgehend getrennt. „Solche Cluster spielen auch bei der Ausbreitung von COVID-19 eine Rolle“, verdeutlicht Tragust. „Wir sehen eine sogenannte Clusterausbreitung etwa nach dem Besuch einer Sportveranstaltung, bei der ein Teilnehmer infiziert war.“
Darüber hinaus zeigen Ameisen – insbesondere Arten, die Ameisensäure bilden, wie die bei uns heimische Schwarze Wegameise (Lasius niger) oder die Waldameisen (Formica spp.) – bestimmte Verhaltensweisen, um die Hygiene im Nest hochzuhalten: Sie putzen sich und Nestgenossen nicht nur rein mechanisch, sondern auch mithilfe des Gifts ihrer Giftdrüse, das zu sechzig Prozent aus Ameisensäure besteht. Auch die soziale Isolation von Kranken kommt vor, wie Tragust erklärt: „Es ist auffällig, dass kranke Tiere vor allem außerhalb der Kolonie sterben.“ Die Tiere werden also entweder von den Nestgenossen ausgeschlossen oder verlassen das Nest sogar freiwillig, um dieses zu schützen.
Ein Dreh- und Angelpunkt bei der Körperpflege ist die Ameisensäure, die auch im Zentrum von Tragusts Arbeiten mit Ameisen steht. „Diese einfache organische Säure besitzt eine sehr starke antibakterielle Wirkung“, stellt der Zoologe fest. „Viele Waldameisen mischen die Säure darüber hinaus mit Harz, das ebenfalls antibakteriell wirkt.“ Daneben hat die Säure aber noch weitere Funktionen. So diente sie ursprünglich wohl hauptsächlich als Abwehrsekret, um Räuber wie Vögel abzuschrecken, sowie als Kommunikationsmittel, insbesondere als Aggressionspheromon.
Magensäure kommt von außen
Bereits im Rahmen seiner Doktorarbeit bei Sylvia Cremer in Regensburg beobachtete Tragust ein besonderes Putzverhalten bei der invasiven Gartenameise (Lasius neglectus). Nach der Nahrungsaufnahme beugen die Tiere ihren Hinterleib nach vorne, senken den Kopf und putzen sich im Bereich des Acidoporus, dem Ausgang der Giftdrüse. Von den meisten Wissenschaftlern wurde die Beobachtung als einfaches Putzverhalten abgetan, aber Tragust konnte zeigen, dass die Ameisen während dieses Verhaltens Giftdrüsensekret in den Mund aufnehmen, um damit beispielsweise ihre Brut zu desinfizieren.
Der Zufall wollte es, dass ihm auf einer Tagung Heike Feldhaar von der Universität Bayreuth erzählte, dass sie und ihre Mitarbeiter bei formicinen Ameisen – also solchen, die Ameisensäure produzieren können – oft ein extrem saures Magenmilieu beobachten. Während bei höheren Wirbeltieren im Magen typischerweise ein niedriger pH-Wert vorherrscht, ist das für Insekten eher ungewöhnlich. Tragust vermutete, dass formicine Ameisen ihr Gift vielleicht auch schlucken.
Teurer pH
Zusammen mit Heike Feldhaar überprüfte er diese Theorie als Postdoktorand. „Evolutiv ist es sehr teuer, ein physiologisch saures Magenmilieu aufrechtzuerhalten. Man vermutet deshalb, dass der niedrige pH ursprünglich dazu diente, die aufgenommene Nahrung zu desinfizieren. Die Verdauung hätte sich dann erst später daran angepasst“, erklärt Tragust.
Gerade bei Ameisen würde eine gezielte Ansäuerung des Magens besonderen Sinn ergeben, da sie sich gegenseitig füttern, indem sie bereits aufgenommene Nahrung wieder hochwürgen. Auch die Tatsache, dass die Ameisen das Putzverhalten sogar nach der Aufnahme von Wasser zeigen, spricht in den Augen von Tragust gegen eine Funktion bei der Verdauung.
Aber wie misst man den pH-Wert des Mageninhalts einer Ameise? „Das ist eigentlich ganz einfach“, schmunzelt der Ameisenforscher. „Wenn man den Hinterleib abtrennt, lässt sich der Mageninhalt herausdrücken. Übersättigte Ameisen kann man sogar dazu bringen, etwas vom Mageninhalt hervorzuwürgen. Für die Bestimmung des pH-Werts haben wir dann auf einfaches Indikatorpapier zurückgegriffen.“ Stolz fügt er hinzu: „Die meisten dieser Experimente wurden im Rahmen von hervorragenden Bachelor- und Masterarbeiten durchgeführt.“
Nur im Magen
Als Nahrung boten die Forscher den Ameisen Honigwasser an, das sie bereitwillig trinken. Konnten sich die Tiere danach nach Belieben putzen, sank der pH-Wert im Magen in den folgenden 48 Stunden kontinuierlich ab und stieg erst wieder, wenn neue Nahrung aufgenommen wurde. Interessanterweise beschränkte sich das saure Milieu aber auf den Magen und breitete sich nicht auf den angrenzenden Mitteldarm aus. Dieser ist analog zum Dünndarm der Wirbeltiere der Hauptort der Verdauung und beherbergt auch das Darmmikrobiom. Verhinderten die Wissenschaftler, dass sich die Ameisen putzen konnten, sank der pH-Wert im Magen kaum. Damit ließ sich eine physiologische Ansäuerung ausschließen.
Als Nächstes überprüften die Forscher, ob die Ameisensäure einen Einfluss auf die Überlebenswahrscheinlichkeit des insektenpathogenen Bakteriums Serratia marcescens hat. Im Honigwasser, dessen pH von 5 mithilfe von Ameisensäure auf 4 gesenkt wurde, überlebten tatsächlich signifikant weniger Bakterien. Im nächsten Schritt verfütterten die Experimentatoren die Bakterien mit dem Honigwasser an die Ameisen. „Wir wollten untersuchen, wie viele der Bakterien wir anschließend wieder aus dem Verdauungstrakt zurückgewinnen konnten“, erklärt Tragust. „Schon vier Stunden nach der Nahrungsaufnahme hatten kaum noch Bakterien im Magen überlebt. Im Mitteldarm kamen sogar überhaupt keine Bakterien an.“ Damit war schon einmal gezeigt, dass die Säure tatsächlich die Bakterienlast der Nahrung verringern kann.
Nur die Nützlichen überleben
Um zu untersuchen, ob das gleichzeitig auch den Ameisen half, wurden diese wiederum mit Honigwasser mit und ohne Bakterien gefüttert. Zusätzlich wurde aber jetzt ein Teil der Ameisen daran gehindert, Ameisensäure aufzunehmen. Während Ameisen, die sich putzen durften, trotz Bakterienaufnahme genauso gut überlebten wie die Ameisen, die nicht-kontaminiertes Honigwasser erhalten hatten, starben Ameisen, die sich nicht putzen durften und kontaminierte Nahrung erhielten, deutlich häufiger. Aber nicht nur die Ameisen selbst, sondern auch Ameisen, die von ihnen gefüttert wurden, profitierten von der Ameisensäure. So starben Ameisen, die kontaminierte Nahrung von Spendern erhalten hatten und sich zuvor nicht hatten putzen dürfen, doppelt so häufig wie Ameisen, deren Spender zuvor Ameisensäure hatten aufnehmen können.
Abschließend stellten sich die Wissenschaftler die Frage, wie sich die Säure auf nützliche Bakterien im Darm der Ameisen auswirkt. „Das Darmmikrobiom von Ameisensäure produzierenden Ameisen ist nicht sehr vielfältig“, weiß Tragust. „Man findet aber immer wieder Vertreter der Acetobacteraceae, die auch in zuckerhaltigen Lösungen wie Nektar oder vergorenen Früchten vorkommen. Warum das so ist, meinen wir jetzt mit unseren Ergebnissen erklären zu können.“ Denn Asaia-Arten, die zur Familie der Acetobacteraceae gehören, konnten in Honigwasser mit Ameisensäure auch bei pH 3 noch problemlos überleben und wurden im sauren Magenmilieu nur langsam weniger. Gleichzeitig nahm ihre Zahl im Mitteldarm in der Zeit nach der Aufnahme von Nahrung und Ameisensäure sogar zu. „Wir glauben deshalb, dass die Ameisensäure eine Art chemischer Filter ist, der pathogene Bakterien aus kontaminierter Nahrung abtötet, nützlichen Bakterien wie den Acetobacteraceae aber nichts anhaben kann“, fasst Tragust zusammen.
Bereits 2017 ist der Ameisenforscher von Bayreuth nach Halle umgezogen und forscht in der Gruppe von Robert Paxton auch an anderen sozialen Insekten wie Bienen. „Insgesamt interessiere ich mich für die Interaktion von Tieren und Mikroorganismen, einerlei ob es sich dabei um Pathogene oder Symbionten handelt“, sagt er. Soziale Insekten mit ihren hohen Anforderungen an Körperhygiene sind dafür ausgezeichnete Studienobjekte.
Larissa Tetsch
Bild: MLU/S. Tragust
Dieser Artikel erschien zuerst in der Print-Ausgabe von Laborjournal (Heft 12-2020). Dort werden zwei weitere Arbeitsgruppen vorgestellt, die sich mit klebenden Zellen und bakteriellen Dirigenten beschäftigen.