Unglaubliche Ohren: Die seltsame Welt des Insektenhörens

In einem kleinen fensterlosen Raum an einem schwülen Sommertag stehe ich einem entomologischen Rockstar gegenüber. Ich befinde mich an der Universität von Lincoln in Ostengland, in einem Insektarium, einem Raum, der mit Tanks und Gläsern mit Plastikpflanzen und dösenden Insekten ausgestattet ist. Ehe ich mich versehe, wird mir eine pulsierende, grüne Katydide aus Kolumbien vorgestellt.

„Das ist Copiphora gorgonensis“, sagt Fernando Montealegre-Z, der Entdecker dieser sechsbeinigen Berühmtheit. Der Name ist bekannt: Er wurde zusammen mit Fotos des goldenen Gesichts und des Miniaturhorns des Insekts in die ganze Welt hinausposaunt. Die Berühmtheit dieses Katzentiers beruht jedoch nicht auf seinem Aussehen, sondern auf seinem Gehör. Montealegre-Zs akribische Studien des prächtigen Insekts ergaben, dass es Ohren hat, die unseren verblüffend ähnlich sind, mit entomologischen Versionen von Trommelfellen, Gehörknöchelchen und Cochlea, die ihm helfen, Geräusche aufzunehmen und zu analysieren.

Katydiden – es gibt Tausende von Arten – haben die kleinsten Ohren aller Tiere, eines an jedem Vorderbein direkt unter dem „Knie“. Doch ihre geringe Größe und ihre scheinbar seltsame Lage täuschen über die ausgeklügelte Struktur und die beeindruckenden Fähigkeiten dieser Organe hinweg: Sie können die Ultraschallklicks jagender Fledermäuse aufspüren, die charakteristischen Gesänge potenzieller Partner ausmachen und das Abendessen aufspüren. Eine australische Katydide hat sich ihre akustischen Fähigkeiten zunutze gemacht, um auf sehr hinterhältige Weise Beute zu machen: Sie lockt männliche Zikaden in Schlagdistanz, indem sie den weiblichen Teil des Paarungsduetts der Zikaden nachahmt – ein Trick, der es ihr abverlangt, komplexe Klangmuster zu erkennen und genau zu wissen, wann sie zuschlagen muss.

Unglaublich? Auf jeden Fall. Unerwartet? Ja, das auch. Über Insektenohren habe ich mir bisher noch nie Gedanken gemacht. Insektenaugen und -fühler fallen auf, aber Ohren? Selbst ein Adlerauge könnte sich fragen, ob Insekten Ohren haben. Doch offensichtlich müssen einige hören: Die Sommerluft ist erfüllt vom Trillern, Zirpen und Klicken liebeskranker Grillen und Heuschrecken, Zikaden und Katydiden, die alle versuchen, einen Partner zu finden.

Neugierig geworden, rufe ich den Neurobiologen Martin Göpfert von der Universität Göttingen in Deutschland an, der das Gehör der Fruchtfliege Drosophila melanogaster untersucht. Er sagt mir, dass die Ohren von Katzenjungfern zwar erstaunlich sind, aber nur eines von vielen mit erstaunlichen Fähigkeiten: Die Evolution hat so viele Versuche unternommen, Ohren zu formen, dass das Ergebnis eine enorme Vielfalt an Strukturen und Mechanismen ist. Die meisten sind schwer zu erkennen, wenn nicht sogar unsichtbar, und in vielen Fällen erzeugen und empfinden Insekten Töne, die so weit außerhalb unserer Reichweite liegen, dass wir ihre Fähigkeiten völlig übersehen haben. Aber mit dem Aufkommen neuer Werkzeuge und Technologien kommen immer mehr Beispiele ans Licht.

Sinnesbiologen, Akustikexperten und Genetiker arbeiten zusammen, um herauszufinden, wie sie alle funktionieren, wie und wann sie sich entwickelt haben und warum. Und dank einiger dieser neuen Erkenntnisse und einer Reihe fossiler Insekten besteht sogar die verlockende Aussicht, in die Vergangenheit zu lauschen, was unserem Verständnis vom Leben und den Zeiten einiger längst verschwundener Tiere eine neue Dimension verleiht.

Als Insekten vor etwa 400 Millionen Jahren zum ersten Mal auftauchten, waren sie taub, erzählt mir Göpfert. Diese Ur-Insekten haben sich zu mehr als 900.000 Arten weiterentwickelt, und während die meisten von ihnen so taub geblieben sind wie ihre Vorfahren, haben einige die Fähigkeit erlangt, zu hören. Von den 30 Hauptinsektenordnungen enthalten neun (bei der letzten Zählung) einige hörende Arten, und das Gehör hat sich in einigen Ordnungen mehr als einmal entwickelt – bei Schmetterlingen und Nachtfaltern mindestens sechsmal. Die 350.000 Arten dieser erstaunlich vielfältigen Gruppe, der Käfer, sind fast alle taub, doch die wenigen, die Ohren haben, haben diese über zwei verschiedene Evolutionslinien erworben. Insgesamt sind die Ohren der Insekten mehr als 20 Mal entstanden – ein sicheres Rezept für Vielfalt.

Ohren, dort und überall

Der offensichtlichste Unterschied zwischen den Ohren eines Insekts und denen eines anderen ist die Lage: Es gibt Ohren an den Fühlern (Stechmücken und Fruchtfliegen), an den Vorderbeinen (Grillen und Katzenjungfern), an den Flügeln (Florfliegen), am Hinterleib (Zikaden, Heuschrecken und Heuschrecken) und an dem, was man als „Hals“ bezeichnen könnte (parasitische Fliegen). Bei Nachtfaltern und Schmetterlingen sind Ohren praktisch überall zu finden, sogar an den Mundwerkzeugen. Die Blasenschrecke hat eine Fülle von Ohren mit sechs Paaren an den Seiten ihres Hinterleibs. Gottesanbeterinnen haben ein einzelnes, „zyklopisches“ Ohr in der Mitte ihrer Brust.

Dieser „Anywhere goes“-Ansatz mag ein wenig seltsam erscheinen, aber es gibt eine einfache Erklärung: In jedem Fall, in dem sich ein Insektenohr entwickelt hat, war der Ausgangspunkt ein bereits vorhandenes Sinnesorgan: ein Dehnungsdetektor, der winzige Vibrationen registriert, wenn sich benachbarte Körpersegmente bewegen. Diese Detektoren kommen überall im Insektenkörper vor, aber die Evolution hat typischerweise nur ein einziges Paar – anscheinend fast jedes Paar – so verändert, dass es die durch Schall erzeugten Vibrationen in der Luft wahrnehmen kann.

Von da an ging jeder neue Versuch, Ohren zu schmieden, noch weiter in seine eigene Richtung, da andere Strukturen kooptiert und neu konfiguriert wurden, um Schall zu erfassen, zu verstärken und zu filtern, die relevanten Informationen zu extrahieren und sie an das Nervensystem weiterzuleiten. Bei Stechmücken und Fruchtfliegen bringt der Schall die feinen Antennenhaare zum Zittern. Die meisten anderen hörenden Insekten haben „Trommelfelle“: dünne, häutige Flecken aus Exoskelett, die vibrieren, wenn Schallwellen auf sie treffen. Einige Trommelfelle sind mit luftgefüllten akustischen Kammern ausgestattet, andere mit flüssigkeitsgefüllten. Die Anzahl und Anordnung der Sinneszellen, die diese Schwingungen erkennen und entschlüsseln, sowie die Neuronen, die die Signale an das Gehirn weiterleiten, sind ebenfalls von Ohr zu Ohr unterschiedlich. Während einige Mottenohren mit nur einem oder zwei Neuronen funktionieren (was Motten zu den schnellsten Empfängern macht), verfügt das Ohr einer männlichen Mücke über etwa 15.000 (was es äußerst empfindlich macht).

Einige Ohren sind relativ einfach, andere haben zusätzlichen Schnickschnack, der mit ihrer Lebensweise zusammenhängt. So zum Beispiel die parasitische Fliege Ormia ochracea, die ihre Larven auf einer bestimmten Grillenart ablegt, nachdem sie diese anhand ihres charakteristischen Rufs identifiziert und lokalisiert hat. Die Ohren der Fliege sitzen nebeneinander auf ihrem „Hals“ und sind theoretisch zu dicht beieinander, um ihr Ziel genau zu bestimmen. Dennoch sind sie die Besten, wenn es um die genaue Ortung geht, und zwar dank eines elastischen Bandes, das die Trommelfelle miteinander verbindet, so dass sie wie eine Wippe auf und ab schwingen und dafür sorgen, dass der Schall ein Ohr ein wenig später erreicht als das andere.

Katydidenohren, wie von Montealegre-Z und seinen Kollegen so anschaulich demonstriert, sind sowohl in ihrer Komplexität als auch in ihrer Ähnlichkeit mit denen von Säugetieren einzigartig. Mit Hilfe eines Mikro-CT-Scanners rekonstruierten die Wissenschaftler das gesamte Hörsystem des Insekts und entdeckten dabei zwei bisher unbekannte Organe. Das erste ist eine kleine, harte Platte hinter dem Trommelfell, das zweite ein mit Flüssigkeit gefüllter Schlauch, der eine Reihe von Sinneszellen enthält. Durch sorgfältige Untersuchungen, bei denen das Trommelfell mit Lasern beschossen und das zurückprallende Licht aufgezeichnet wurde, konnte das Team nachweisen, dass die kleine Platte Vibrationen im Trommelfell des Insekts an die Flüssigkeit in der Röhre weiterleitet – dieselbe Funktion, die auch die Knochen in unserem Mittelohr erfüllen. Das Signal wandert dann in einer Welle entlang der Röhre und über Sinneszellen, die auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sind – was dieses Organ zu einer Miniaturversion unserer eigenen, schneckenförmigen Cochlea macht.

Das Team hat nun gezeigt, warum weibliche Katzenjungfern so gut darin sind, im Dunkeln einen Partner zu finden, obwohl ihre Ohren dicht beieinander liegen (nicht so dicht wie die der parasitären Ormia, aber doch nahe genug, um die Ortung von Geräuschen zu einer großen Herausforderung zu machen). Unsere eigenen Ohren liegen auf beiden Seiten unserer (großen) Köpfe und sind weit genug voneinander entfernt, damit ein Geräusch sie zu unterschiedlichen Zeiten und in unterschiedlicher Lautstärke erreicht, so dass das Gehirn die Quelle berechnen und lokalisieren kann.

Katydiden lösten das Problem (wiederum auf einzigartige Weise), indem sie ein Atemrohr vergrößerten, das von einer Pore in der Seite des Brustkorbs bis zum Knie verläuft; der Schall erreicht die Trommelfelle sowohl von außerhalb des Körpers als auch von innen über das Rohr. Montealegre-Z und seine Kollegen haben gezeigt, dass der Schall auf diesem inneren, hinteren Weg langsamer reist – so trifft jeder Ton zweimal auf das Trommelfell, aber zu leicht unterschiedlichen Zeiten, was die Fähigkeit des Insekts, die Schallquelle zu lokalisieren, dramatisch verbessert.

Die bemerkenswerten Ohren der Katydide haben noch nicht alle ihre Geheimnisse preisgegeben, und das Team von Montealegre-Z versucht nun herauszufinden, wie die Rezeptoren in der Insektenversion der Cochlea verschiedene Frequenzen auffangen. Der Star dieser Studie ist Phlugis poecila, eine „Kristall“-Katydide, die ihren Namen von ihrer transparenten äußeren Kutikula hat, einer Eigenschaft, die es dem Team ermöglicht, Prozesse aufzuzeichnen und zu messen, während sie stattfinden. „Wir werden in der Lage sein, das Gehör bei der Arbeit zu beobachten und Prozesse zu sehen, die wir nie zuvor gesehen haben“, sagt Montealegre-Z.

Wenn die Art und Weise, wie Insekten hören, enorm variiert, dann auch das, was sie hören. Mückenohren reichen vielleicht einen Meter weit; die vielohrige Blasenheuschrecke kann aus einem Kilometer oder mehr Entfernung hören. Die Ohren von Grillen können niedrige Frequenzen wahrnehmen; die Ohren von Gottesanbeterinnen und Motten sind auf Ultraschall abgestimmt, was weit über das hinausgeht, was Menschen (oder ihre Hunde) hören können. Wieder andere, wie die Ohren von Katzenjungfern, haben ein Breitbandgehör. „Insekten hören nur das, was sie hören müssen“, sagt Göpfert. „Und die Evolution hat dafür gesorgt, was nötig war.“

Aber was hat die Evolution dazu veranlasst, die Dehnungsrezeptoren in Ohren zu verwandeln und so den Schall in die Insektenwelt zu bringen? Diese Frage beschäftigt immer noch viele Entomologen. Ein vernünftiger Anhaltspunkt ist die Art und Weise, wie Insekten heute ihre Ohren benutzen, aber das ist nur ein Anhaltspunkt, denn ein Ohr, das ursprünglich für einen bestimmten Zweck entwickelt wurde, könnte im Laufe der Äonen leicht für einen anderen Zweck umfunktioniert worden sein. Eines ist jedoch sicher: Wenn Biologen weitere Insektengruppen genauer untersuchen, könnten einige lang gehegte Vorstellungen ins Wanken geraten.

Ein Ohr für die Gefahr

Bei modernen Insekten besteht eine der Hauptfunktionen der Ohren darin, das Herannahen eines Raubtiers rechtzeitig zu hören, um ihm ausweichen zu können. Für nachtfliegende Insekten geht die größte Bedrohung von insektenfressenden Fledermäusen aus, die ihre Beute mit Ultraschall aufspüren und verfolgen, weshalb ihr Gehör auf die Frequenzen der echolotisierenden Klicklaute der Fledermäuse abgestimmt ist. Die Insekten reagieren dann mit charakteristischen Bewegungen, um dem Sonarstrahl zu entkommen: scharfe Kurven, Loopings, Sturzflüge von der Luft zum Boden. Bestimmte Tigermotten stören das Fledermaus-Sonar sogar mit ihren eigenen Klicks. Experimente haben gezeigt, dass Fledermausohren die Chancen eines Insekts, einen Angriff zu überleben, drastisch erhöhen: In einer Studie entkamen Gottesanbeterinnen 76 Prozent der Fledermausangriffe, aber diese Zahl sank auf 34 Prozent, wenn sie taub waren.

Wenn Raubtierverhalten eine starke Triebkraft der Evolution ist, dann ist es auch Sex. Und Geräusche sind ein effizientes Mittel für ein Insekt, sich bei potenziellen Partnern zu identifizieren: Geräusche lassen sich gut transportieren, funktionieren im Dunkeln und bieten die Möglichkeit, charakteristische Gesänge und private Mitteilungen zu entwickeln, die von niemandem sonst gehört werden können.

So, erfolgreicher Sex oder Überleben? Was liegt hinter wessen Ohren?

In einigen Fällen sind sich die Forscher einigermaßen sicher. Zikaden scheinen das Gehör zu Paarungszwecken entwickelt zu haben: Nur singende Arten haben Ohren, und sie sind nur für ihre eigenen tiefen Töne empfänglich. Bei den Nachtfaltern waren Fledermäuse der Auslöser. Lepidoptera gibt es seit etwa 150 Millionen Jahren, doch bevor die echolotisierenden Fledermäuse vor etwa 60 Millionen Jahren auf den Plan traten, hatten Motten keine Ohren. Und viele der Nachtfalter mit Ohren sind nur für die Frequenzen empfindlich, die von den Fledermäusen in ihrer Umgebung verwendet werden – ein starker Beweis dafür, dass sich die Ohren als Fledermausdetektoren entwickelt haben.

Was aber ist von der Gottesanbeterin zu halten, dem Besitzer des Zyklopenohrs? Heute scheinen Gottesanbeterinnen ihre Ohren ausschließlich als Fledermausdetektoren zu benutzen. Doch Entomologen verfügen heute über umfangreiche Daten zur vielfältigen Anatomie der Gottesanbeterinnen-Ohren und einen genauen, auf DNA basierenden Stammbaum der Gottesanbeterinnen, anhand dessen sie das ursprüngliche Ohr der Gottesanbeterin zurückverfolgen konnten. Es gehörte zu einer Art, die vor 120 Millionen Jahren lebte, also etwas früher als diese sonargesteuerten Fledermäuse. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass andere Raubtiere als Fledermäuse die Entwicklung der Ohren der Gottesanbeterin und einiger anderer Insekten vorangetrieben haben könnten – vielleicht Reptilien, Vögel oder frühe Säugetiere. Tiere, die sich durch das Unterholz bewegen, über Felsen klappern oder auf einem belaubten Ast landen, sind selten lautlos. Die Geräusche, die sie machen, enthalten hörbare und Ultraschall-Elemente.

Fliegende Vögel, die seit 150 Millionen Jahren existieren, werden zunehmend als Konkurrenten angesehen. In einer bahnbrechenden Studie haben kanadische Biologen die Geräusche aufgezeichnet, die von den Flügelschlägen von Meisen und Phoeben erzeugt werden, wenn sie sich auf die Beute von Insekten stürzen. Sie fanden heraus, dass die Flügelschläge ein breites Spektrum von Frequenzen umfassen, die Insekten wahrnehmen können, von tiefen Tönen, die für Zikaden, Schmetterlinge und Heuschrecken hörbar sind, bis hin zu Ultraschalltönen, die von Motten und Gottesanbeterinnen wahrgenommen werden.

Und was ist mit den Blattläusen, die die ältesten Ohren von allen besitzen? Moderne Katzenjungfern benutzen ihre Ohren sowohl zur Kommunikation als auch als Fledermausdetektoren. Aber der schallerzeugende Apparat der Katydiden lässt sich im Fossilbericht bis zu einem frühen Vorfahren zurückverfolgen, der vor 250 Millionen Jahren lebte, also lange vor den Fledermäusen. Die bisher vorherrschende Theorie besagt, dass die Evolution der Katydidenohren einige Wendungen nahm. Die ursprüngliche Funktion der Ohren bestand darin, dass die Katydiden sich gegenseitig hören konnten, und später, so die Überlegung, wurden diese Ohren als Fledermausdetektoren eingesetzt. Dies führte dazu, dass sich ihr Hörvermögen vom hörbaren Bereich (unter 20 kHz) auf den Ultraschallbereich (außerhalb der Reichweite menschlicher Ohren) ausdehnte – und dies wiederum ermöglichte die Entwicklung der komplexeren, höher klingenden Gesänge, die Katydiden heute zeigen. Heute singt nur noch eine Minderheit der Katzenjungfern im hörbaren Bereich, während etwa 70 Prozent Ultraschallgesänge und einige wenige außergewöhnlich hohe Töne von sich geben. Der bisherige Rekordhalter ist die kürzlich entdeckte Supersonus aequoreus, die mit erstaunlichen 150 kHz singt.

Aber stimmt diese Geschichte? Um die Antwort zu finden, mussten die Wissenschaftler wissen, was Katydiden in der fernen Vergangenheit hörten, und das bedeutete, sich die Fossilien von Katydiden genau anzusehen. Die versteinerten Ohren selbst sind nicht sehr aufschlussreich: Sie sind selten und ihre Struktur ist schwer zu erkennen. Aber es gibt einen anderen Weg, um das Gehör zu verstehen: die detaillierte Anatomie des schallproduzierenden Feil- und Kratzapparats auf den versteinerten Katydidenflügeln. „Diese Strukturen sind viel größer und klarer, und wir können sie nutzen, um den Klang, den sie erzeugten, sehr genau nachzubilden“, sagt Montealegre-Z – und daraus abzuleiten, was die Katydiden gehört haben müssen.

Ein Schlag aus der Vergangenheit

Im Jahr 2012 machten Montealegre-Z und sein Kollege Daniel Robert, Experte für Bioakustik an der Universität Bristol, Schlagzeilen, als sie mit diesem Ansatz den Gesang einer Katydide aus der Jurazeit rekonstruierten, einen Klang, der seit 165 Millionen Jahren nicht mehr gehört wurde. Möglich wurde dies durch die Entdeckung einer fossilen Katydide aus China mit nahezu perfekt erhaltenen Flügeln. Archaboilus musicus, so der Name des ausgestorbenen Insekts, hätte musikalische Lieder mit Frequenzen um 6,4 kHz „gesungen“ und klang damit eher wie eine Grille als eine moderne Katydide. Das passt gut zu der Geschichte, dass Katydiden zuerst das Gehör entwickelt haben, um zu kommunizieren.

Seitdem hat das Team jedoch weitere fossile Katydiden untersucht, und die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Theorie möglicherweise überarbeitet werden muss. Es scheint, dass einige alte Katydiden schon Ultraschall nutzten, lange bevor es Fledermäuse gab, sagt Montealegre-Z. Katydiden hören auch ein viel breiteres Spektrum an Frequenzen, als sie brauchen, um sich selbst zu hören. Seiner Meinung nach deutet dies darauf hin, dass sich ihre Ohren zunächst nicht zum Singen, sondern, ähnlich wie bei den Gottesanbeterinnen, zur Selbsterhaltung entwickelt haben. „Ich glaube, dass sich ihre Ohren entwickelt haben, um Raubtiere zu hören“, erklärt er mir. „Raubtiere geben eine Vielzahl von Geräuschen von sich, und die Ohren müssen in der Lage sein, sie zu unterscheiden.“

Wenn Studien wie diese dazu beitragen, die Evolutionsgeschichte des Gehörs von Insekten zu enträtseln, versprechen sie noch etwas anderes: die Möglichkeit, die uralte Vergangenheit zu belauschen und neue Erkenntnisse über das Verhalten von Insekten zu gewinnen. Sie haben mich auch ungeduldig gemacht auf den nächsten Sommer und die Chance, das reiche Insektenleben der sanften Kreidehügel hier in der Gegend mit neuen Augen – und Ohren, vor allem Ohren – zu erkunden.

Im Sommer ist die Luft über den Sussex Downs erfüllt von einer Symphonie aus Insektengeräuschen, wenn Heuschrecken und Blattläuse auf der Suche nach Liebe zirpen, summen und klicken. Wenn ich meine Ohren bis zum Äußersten anstrenge, kann ich vielleicht das Nähmaschinengeklapper einer Großen Grünen Raublattlaus oder das leise Zischen eines Kegelkopfes heraushören, und wenn ich viel Glück habe, vielleicht sogar die schnellen Klickgeräusche des Warzenbeißers, der seltensten Raublattlaus Großbritanniens. Aber wie viel mehr werde ich verpassen? Ich würde viel dafür geben, Ohren zu haben, die die Lieder und Geräusche wahrnehmen können, die Wissenschaftler zusammensetzen, die aber nur von Insekten gehört werden können.