Chemische Ökologie
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Leitartikel Chemische Okologie Leita tik 1 r e :: : i Chemische Okologie - Ein neues interdisziplinfires i i ~ !~ :il ~ ~ Forschungsgebiet K. Dettner Lehrstuhl ffir Tier6kologie II, Universitfit Bayreuth, D-8580 Bayreuth In den letzten Jahren gewinnt ein neues, interdisziplin/ires Forschungsgebiet immer mehr an Bedeutung: die Chemi- sche Okologie. Im Gegensatz zur Okologischen Chemie, welche in erster Linie die 6kologische Bewertung von Indu- striechemikalien im Auge hat, konzentriert sich alas Interes- se der Chemischen Okologie (auch 6kologische Biochemie) auf von Organismen produzierte und nach aut~en abgegebe- ne Naturstoffe. Derartige, zwischen Organismen wirkende Botenstoffe (= Semiochemicals, Ectohormone, Okomo- ne), sind auf verschiedenen Ebenen, von Einzelzellen bis zur kompliziert zusammengesetzten Bioz6nose, und sowohl in terrestrischer, als auch aquatischer Umgebung wirksam. Die Chemische Okologie bemfiht sich darum, die chemi- schen Strukturen dieser Naturstoffe aufzuklfiren, um schliet~lich vorrangig ihre biologische Bedeutung im 6kolo- gischen Kontext erfassen zu k6nnen. Je nach Sender- und Empf~ngerorganismus werden die zwischen Organismen wirksamen Botenstoffe unterschiedlichen Gruppen zuge- ordnet. W/ihrend Pheromone intraspezifisch, also zwischen verschiedenen Individuen einer Art (z.B. zwischen M/inn- chen& Weibchen) wirksam sind, k6nnen sog. Alleloche- micals ihre Wirkung interspezifisch zwischen Individuen verschiedener Arten entfalten (z.B. Pflanze produziert einen Fraf~hemmstoff gegen eine pflanzenfressende Insektenart). Zu den intraspezifisch wirkenden chemischen Signalen ge- h6ren neben Sexuallockstoffen beispielsweise auch Spur- oder Alarmpheromone von Ameisen oder Substanzen, wel- che bei gewissen Schadinsekten eine optimale Populations- dichte einregulieren. Auch individuen- und artspezifische chemische Kennzeichen von Tieren geh6ren in diese Ka- tegorie. Zu den im Pflanzen- und Tierreich interspezifisch wirken- den chemischen Signalen z/ihlen: - allelopathisch wirkende Substanzen, welche yore pflanz- lichen Organismus fiber Blfitter oder Wurzeln freigesetzt und erfolgreich als Wachstums- oder Keimhemmer ge- gen pflanzliche Konkurrenten verwendet werden, - tierische und pflanzliche Abwehrstoffe und Gifte, wel- che nicht nut gegen Ins&ten oder Wirbeltiere, sondern auch gegen Mikroorganismen und Pilze eingesetzt wet- den, - charakteristische Oberflfichensubstanzen bestimmter In- sektenarten, mit deren Hilfe es Parasiten gelingt, ihr je- weiliges, ganz spezielles Wirtsinsekt zu erkennen. UWSF-Z. Umweltchem. ()kotox. (1989) 3: S. 3-4 9 ecomed verlagsgesellschaft mbh, Landsberg 9 Mfinchen 9 Zfirich Besonders reizvoll ist das Studium ener interspezifisch wir- kenden Naturstoffe, die manche Pflanzen einsetzen, um ih- re Bestfiuber anzulocken. Auch die Frage, wie Insekten ihre Futterpflanzen chemisch erkennen oder pflanzliche Gifte ohne Schaden aufnehmen and zum eigenen Schutze spei- chern, ist fiuf~erst interessant. Der Transfer von Sekund/ir- stoffen fiber verschiedenste Glieder der Nahrungskette dfirfte sicherlich verbreitet sein; fiber die Bedeutung dieser Schlfisselverbirldungen im Einzelorganismus oder gar im Okosystem liegen allerdings bislang kaum Daten vor. Als letzte Gruppe 6kologisch bedeutsamer Substanzen kommen jene Naturstoffe in Frage, welche die 121berlebens- f~ihigkeit des Produzenten erh6hen, ohne dabei auf einen anderen Organismus eine Wirkung zu entfalten. Hierzu z/ihlen Verbindungen, mit deren Hilfe es beispielsweise Wasserinsekten gelingt, die Benetzbarkeit ihrer K6rper- oberfl~che zu verfindern. Auch k6nnen in diesem Zusam- menhang jene yon bestimmten Bienenarten produzierten Polyester angeffihrt werden, welche die im Boden gelegenen Brutnester dieser Hautflfigler umgeben, um deren Inneres vor Wassereintritt zu schfitzen. Neben den genannten Hauptaufgaben der Chemischen Okologie (d.h. Strukturaufkl/irung und Verstehen der 6ko- logischen Bedeutung dieser Naturstoffe) bestimmen auch morphologische und physiologische Untersuchungen am Sender- und Empf/ingerorganismus, Verhaltensanalysen oder Biotests dieses Arbeitsgebiet. Schliet~lich erlaubt der Einsatz synthetischer Signalstoffe, wie beispielsweise der Sexuallockstoffe, ein Anlocken, Ver- nichten oder Uberwachen von Schfidlingspopulationen. Diese, in einer Insektenfalle plazierten, biologisch abbauba- ten Naturstoffe gestatten eine selektive, biotechnische Be- kfimpfung des Sch/idlings, ohne dabei gleichzeitig nfitzliche Insekten zu sch~idigen. Die praktische Bedeutung sotcher verhaltensmodifizierenden Naturstoffe ist nicht nur bei schfidlichen Insekten, sondern auch bei Pheromonen land- wirtschaftlicher Nutztiere erkennbar. In der Spraydose ,,verpackte", synthetische Eberpheromone (,,Doseneber") 16sen beim weiblichen Tier die sog. Duldungsstarre aus. Tierzfichter nutzen diesen Effekt, um Schweine kfinstlich zu besamen oder um die Brunst der weiblichen Tiere festzu- stellen. In der Bundesrepublik Deutschland hat die Bearbeitung chemisch 6kologischer Themen eine lange Tradition, wie
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Leitartikel Chemische Okologie
Leita tik 1 r e :: : i
Chemische Okologie - E in n e u e s interdisz ip l inf ires
i i ~ !~ :il ~ ~
F o r s c h u n g s g e b i e t
K. Dettner
Lehrstuhl ffir Tier6kologie II, Universitfit Bayreuth, D-8580 Bayreuth
In den letzten Jahren gewinnt ein neues, interdisziplin/ires Forschungsgebiet immer mehr an Bedeutung: die Chemi- sche Okologie. Im Gegensatz zur Okologischen Chemie, welche in erster Linie die 6kologische Bewertung von Indu- striechemikalien im Auge hat, konzentriert sich alas Interes- se der Chemischen Okologie (auch 6kologische Biochemie) auf von Organismen produzierte und nach aut~en abgegebe- ne Naturstoffe. Derartige, zwischen Organismen wirkende Botenstoffe (= Semiochemicals, Ectohormone, Okomo- ne), sind auf verschiedenen Ebenen, von Einzelzellen bis zur kompliziert zusammengesetzten Bioz6nose, und sowohl in terrestrischer, als auch aquatischer Umgebung wirksam.
Die Chemische Okologie bemfiht sich darum, die chemi- schen Strukturen dieser Naturstoffe aufzuklfiren, um schliet~lich vorrangig ihre biologische Bedeutung im 6kolo- gischen Kontext erfassen zu k6nnen. Je nach Sender- und Empf~ngerorganismus werden die zwischen Organismen wirksamen Botenstoffe unterschiedlichen Gruppen zuge- ordnet. W/ihrend Pheromone intraspezifisch, also zwischen verschiedenen Individuen einer Art (z.B. zwischen M/inn- chen& Weibchen) wirksam sind, k6nnen sog. Alleloche- micals ihre Wirkung interspezifisch zwischen Individuen verschiedener Arten entfalten (z.B. Pflanze produziert einen Fraf~hemmstoff gegen eine pflanzenfressende Insektenart).
Zu den intraspezifisch wirkenden chemischen Signalen ge- h6ren neben Sexuallockstoffen beispielsweise auch Spur- oder Alarmpheromone von Ameisen oder Substanzen, wel- che bei gewissen Schadinsekten eine optimale Populations- dichte einregulieren. Auch individuen- und artspezifische chemische Kennzeichen von Tieren geh6ren in diese Ka- tegorie.
Zu den im Pflanzen- und Tierreich interspezifisch wirken- den chemischen Signalen z/ihlen:
- allelopathisch wirkende Substanzen, welche yore pflanz- lichen Organismus fiber Blfitter oder Wurzeln freigesetzt und erfolgreich als Wachstums- oder Keimhemmer ge- gen pflanzliche Konkurrenten verwendet werden,
- tierische und pflanzliche Abwehrstoffe und Gifte, wel- che nicht nut gegen Ins&ten oder Wirbeltiere, sondern auch gegen Mikroorganismen und Pilze eingesetzt wet- den,
- charakteristische Oberflfichensubstanzen bestimmter In- sektenarten, mit deren Hilfe es Parasiten gelingt, ihr je- weiliges, ganz spezielles Wirtsinsekt zu erkennen.
UWSF-Z. Umweltchem. ()kotox. (1989) 3: S. 3 - 4 �9 ecomed verlagsgesellschaft mbh, Landsberg �9 Mfinchen �9 Zfirich
Besonders reizvoll ist das Studium ener interspezifisch wir- kenden Naturstoffe, die manche Pflanzen einsetzen, um ih- re Bestfiuber anzulocken. Auch die Frage, wie Insekten ihre Futterpflanzen chemisch erkennen oder pflanzliche Gifte ohne Schaden aufnehmen and zum eigenen Schutze spei- chern, ist fiuf~erst interessant. Der Transfer von Sekund/ir- stoffen fiber verschiedenste Glieder der Nahrungskette dfirfte sicherlich verbreitet sein; fiber die Bedeutung dieser Schlfisselverbirldungen im Einzelorganismus oder gar im Okosystem liegen allerdings bislang kaum Daten vor.
Als letzte Gruppe 6kologisch bedeutsamer Substanzen kommen jene Naturstoffe in Frage, welche die 121berlebens- f~ihigkeit des Produzenten erh6hen, ohne dabei auf einen anderen Organismus eine Wirkung zu entfalten. Hierzu z/ihlen Verbindungen, mit deren Hilfe es beispielsweise Wasserinsekten gelingt, die Benetzbarkeit ihrer K6rper- oberfl~che zu verfindern. Auch k6nnen in diesem Zusam- menhang jene yon bestimmten Bienenarten produzierten Polyester angeffihrt werden, welche die im Boden gelegenen Brutnester dieser Hautflfigler umgeben, um deren Inneres vor Wassereintritt zu schfitzen.
Neben den genannten Hauptaufgaben der Chemischen Okologie (d.h. Strukturaufkl/irung und Verstehen der 6ko- logischen Bedeutung dieser Naturstoffe) bestimmen auch morphologische und physiologische Untersuchungen am Sender- und Empf/ingerorganismus, Verhaltensanalysen oder Biotests dieses Arbeitsgebiet.
Schliet~lich erlaubt der Einsatz synthetischer Signalstoffe, wie beispielsweise der Sexuallockstoffe, ein Anlocken, Ver- nichten oder Uberwachen von Schfidlingspopulationen. Diese, in einer Insektenfalle plazierten, biologisch abbauba- ten Naturstoffe gestatten eine selektive, biotechnische Be- kfimpfung des Sch/idlings, ohne dabei gleichzeitig nfitzliche Insekten zu sch~idigen. Die praktische Bedeutung sotcher verhaltensmodifizierenden Naturstoffe ist nicht nur bei schfidlichen Insekten, sondern auch bei Pheromonen land- wirtschaftlicher Nutztiere erkennbar. In der Spraydose ,,verpackte", synthetische Eberpheromone (,,Doseneber") 16sen beim weiblichen Tier die sog. Duldungsstarre aus. Tierzfichter nutzen diesen Effekt, um Schweine kfinstlich zu besamen oder um die Brunst der weiblichen Tiere festzu- stellen.
In der Bundesrepublik Deutschland hat die Bearbeitung chemisch 6kologischer Themen eine lange Tradition, wie
Chemische Okologie Leitartikel
die bahnbrechenden Studien SCHILDKNECHTS (Heidelberg) zeigen. Doch auch aus anderen Bereichen k6nnen hierffir Beispiele angeffihrt werden: Untersuchungen
- am Signalempffinger (Elektroantennogrammtechnik, SCHNEIDER, Seewiesen)
- zur Synthese von Schmetterlingslockstoffen (BESTMANN, Erlangen)
- zur Borkenk~ferbek~impfung mittels Lockstoffen (VITG Freiburg)
- zur Aufnahme und neuronalen Verarbeitung chemischer Reize bei Insekten (BOECKH, Regensburg)
- zur Identifizierung flfichtiger Insektensubstanzen (FRANCKE, Hamburg) oder
- zur Erforschung von Signalstoffen yon Algen (JAENICKE, K61n)
unterstreichen die bei uns zu verzeichnenden, umfang- reichen Aktivit~iten auf diesem sowie benachbarten Ge- bieten.
Zahlreiche chemisch-6kologische Forschungsarbeiten wet- den natfirlich auch auigerhalb Deutschlands durchgeffihrt. An der Fortentwicklung dieser neuen Disziplin sind z.B. in- ternationale Arbeitsgruppen in Belgien (PaSTEELS), Eng- land (MORGAN, PICKETT), Frankreich (DEsCOrNS), Italien (PAVAN), Japan (MoRt), Nordamerika/USA (BAKER, BLUM, EISNER, MEINWALD, ROELOFS, TUMLINSON), Schwe- den (BERGSTROM) oder der Schweiz (ARN) mat~geblich be- teiligt.
Die - unter anderem in den genannten Forschungszentren - gesammelten Ergebnisse fiihren dazu, dat~ das Wissen auf dem Gebiet der Chemischen Okologie geradezu explo- sionsartig anschwillt. In zahlreichen Zeitschriften (v.a. Journal of Chemical Ecology), Sonderb/inden, Bfichern und Handbfichern, auf internationalen Tagungen (v.a. Tagun- gender 1983 gegr0ndeten ,,International Society of Chemi- cal Ecology") wird der Pr/isentation derartiger Themen breiter Raum einger/iumt. Verschiedene Fachrichtungen greifen Themen aus diesem interessanten Gebiet mit Begei- sterung auf und beginnen, es von allen Seiten zu be- leuchten.
Um die in der Bundesrepublik Deutschland sich teilweise nur z6gernd entwickelnde, interdisziplin~ire Zusammenar- belt zwischen Biologen, Chemikern und Pharmazeuten zu f6rdern und zu st~irken, hat die Deutsche Forschungsge- meinschaft 1988 die Einrichtung eines Schwerpunktpro- gramms zum Thema ,,Chemische Okologie - verhaltens- modifizierende Naturstoffe" for sechs Jahre beschlossen. Hierbei sollen die in den ersten Absehnitten genannten The- menfelder unter besonderer Berficksichtigung der chemi- schen Okologie yon Tieren bearbeitet werden. Intensive Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Arbeitsgruppen (z.B. Methodentransfer, gegenseitige Arbeitsbesuche) soll dutch j~ihrliche Kolloquien, Personal- und Sachmittel ge- st~irkt werden.
Nachdem in den letzten Jahren die Aufkl/irfing niedermole- kularer Naturstoffe im Vordergrund stand, welche auch Dank der heute verf0gbaren, phantastischen spurenanalyti- schen Techniken (v.a. GC-MS, HPLC) welt vorangetrieben werden konnte, rOcken heute andere Themen mehr und
mehr in den Vordergrund. Im Mittelpunkt des Schwer- punktprogramms steht deshalb die Bearbeitung komplexe- rer, bislang auch international oft weniger beachteter Themen wie (a) Wirkungsspektren yon Vielstoffgemischen, (b) Transfer yon Sekund~rstoffen im Okosystem, (c) Biogenese solcher Sekundfirstoffe, (d) Anpassungswert solcher Naturstoffe oder (e) verhattens6kologische Ans~itze.
Es ist zu hoffen, daig die augenblicklich DFG-gef6rderten 24Arbeitsgruppen aus der gesamten Bundesrepublik Deutschland im Verlauf des Schwerpunktprogramms im- met intensiver zusammenarbeiten. Dies gilt - v o n der Ma- terialbeschaffung, Fraktionierung yon Extrakten, der Strukturaufkl/irung der Naturstoffe und deren Synthese bis zum Biotest - der Ermittlung der individuellen Variations- breite chemischer Signale bei Organismen, deren Speiche- rung und Entgiftung sowie deren 6kologischer Bedeutung.
Die Unterstikzung dieses Gebietes dutch die Deutsche For- schungsgemeinschaft wird hoffentlich dazu f/ihren, dat~ Chemiker sich vermehrt biologisches, vor allem auch 6ko- logisches Wissen aneignen und Biologen umgekehrt die fas- zinierenden M6glichkeiten organischer Spurenanalytik sowie chemische Denkansiitze nutzen, ohne dat~ beide Ver- treter zu tier in die gegenseitigen Arbeitsgebiete eindringen. Auch bei Studenten und Examenskandidaten ist zu spfiren, daft im Bereich der Chemie vorrangig die Bereitschaft be- steht, niedermolekulare Naturstoffe aufzutrennen, aufzu- kl~iren und zu synthetisieren, was bei der oft stereoche- mischen Komplexitfit solcher Molekfile eine wirkliche Her- ausforderung darstellt. Auf Seiten der Biologie ist umge- kehrt festzustellen, dat~ bislang ausschlief~lich im Freiland t~itige Okologen mehr und mehr das chemische Labor auf- suchen, mit Elan und Faszination die gaschromatographi- sche oder HPLC-FraD:ionierung vornehmen, um im anschliel~enden Biotest die verhaltensmodifizierenden Ef- fekte dieser Naturstoffe zu testen.
Bei dieser Zusammenarbeit miissen naturgem/it~ Kompro- misse geschlossen werden, denn der Organiker interessiert sich vor allem fiir neue chemische Strukturen, wfihrend for den Biologen oft chemisch triviale Verbindungen eine inter- essante Wirkung entfalten k6nnen.
Es ist zu hoffen, daf~ das von W. FRANCKE (Hamburg) und dem Autor dieses Artikels koordinierte DFG-Schwerpunkt- programm ,,Chemische Okologie - verhaltensmodifizie- rende Naturstoffe" for die Fachgebiete Chemie, Biologie oder Pharmazie eine innovative Bedeutung hat und v611ig neue M6glichkeiten der Zusammenarbeit er6ffnet.
Die Zeitschrift UWSF - Z. Umweltchem. Okotox . wird re- gelmdflig iiber die Akt ivi tdten im Schwerpunktprogramm berichten. 1
1 Vgl. auch S. 46
4 UWSF-Z. Umweltchem. Okotox. (1989)3
