Ozonvervuiling verstoort het seksleven van insecten

De seksuele communicatie tussen insecten is in belangrijke mate afhankelijk van feromonen: chemische stoffen die mannetjes en vrouwtjes in staat stellen elkaar aan te trekken, te herkennen en met elkaar te paren. Zelfs minuscule verschillen, zoals die bijvoorbeeld waargenomen worden bij de vorming van nieuwe soorten, zorgen er al voor dat paring niet meer plaatsvindt, omdat mannetjes en vrouwtjes elkaar alleen vinden door de onmiskenbare geur van hun soortgenoten.

De meeste insectenferomonen zijn geurmoleculen die zogenoemde “dubbele koolstof-koolstofbindingen” bevatten. Van die bindingen was al bekend dat ze gemakkelijk door ozon worden afgebroken.

Een onderzoeksteam van het Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena wilde daarom nagaan of ozon ook de geslachtsferomonen van insecten aantast.

“We wisten al dat vervuilende stoffen zoals ozon bloemengeuren kunnen afbreken, waardoor bloemen minder aantrekkelijk worden voor bestuivers”, zei Markus Knaden, een hoofdauteur van de studie. "Aangezien verbindingen met dubbele koolstofbindingen bijzonder gevoelig zijn voor afbraak door ozon en bijna alle seksferomonen van insecten dergelijke bindingen bevatten, vroegen we ons af of luchtvervuiling ook beïnvloedt hoe goed insectenvrouwtjes en -mannetjes elkaar vinden en identificeren tijdens de paring."

Om de effecten van ozon op het paringsgedrag van het zogenoemde  modelorganisme Drosophila melanogaster - de fruit- of bananenvlieg - na te gaan, ontwikkelden de onderzoekers eerst een systeem om de vliegen bloot te stellen aan ozon, een systeem dat de hogere ozonniveaus kon nabootsen die nu vaak gemeten worden in steden in de zomer.  

Daarvoor moesten ze een ononderbroken luchtstroom creëren met precies afgelijnde ozonniveaus, iets wat bemoeilijkt werd door het feit dat ozon geen stabiele chemische verbinding is en makkelijk uit elkaar valt. 

Een andere moeilijkheid was dat de fruitvliegen zelfs in normale omstandigheden vaak slechts erg kleine hoeveelheden feromenen met zich meedragen. "We hadden dus een techniek nodig die ons zou toelaten om zelfs piepkleine hoeveelheden feromonen te meten op individuele vliegen die voor de meting al dan niet blootgesteld waren aan ozon", zei Nanji Jiang, de eerste auteur van de studie. 

"Hiervoor gebruikten we wat bekend staat als een thermische desorptie-eenheid, gekoppeld aan een gaschromatografie-massaspectrometer, wat ons in staat stelde minieme hoeveelheden geurstoffen te meten die afgescheiden werden door individuele vliegen."

In de experimenten werden mannelijke vliegen blootgesteld aan licht verhoogde ozonconcentraties. De onderzoekers maten vervolgens of de vliegen nog steeds hun feromonen afscheidden. 

Als de vliegen blootgesteld werden aan 100 ppb (parts per billion, deeltjes per miljard) ozon gedurende twee uur, lagen de gemeten feromoonniveaus beduidend lager dan bij een controlegroep die enkel blootgesteld was aan omgevingslucht. 

Naast de mannetjes van Drosophila melanogaster testten de onderzoekers ook mannelijke vliegen van acht verwante soorten van het geslacht Drosophila. Slechts bij één soort, Drosophila busckii, werd de aanmaak van specifieke mannelijke feromonen niet aangetast door de blootstelling aan ozon, maar de feromonen van die soort bevatten geen dubbele koolstof-koolstofbindingen en reageren dus niet zo makkelijk met ozon.  

De onderzoekers testten vervolgens de aantrekkelijkheid van mannelijke vliegen voor hun soortgenoten en de waarnemingen die ze deden waren verontrustend, wat voornamelijk te wijten kan zijn aan de rol van hun respectievelijke feromonen. 

Die worden bij Drosophila-soorten uitgescheiden door de mannetjes en verhogen hun aantrekkelijkheid bij de vrouwtjes. Tegelijkertijd gebruiken mannetjes de geur om vrouwtjes te onderscheiden van andere mannetjes. 

En terwijl hun feromoon vrouwtjes aantrekt, stoot het andere mannetjes af. Tijdens de paring brengen mannetjes hun feromoon over op de vrouwtjes. Daardoor zijn vrouwtjes die net gepaard hebben en ruiken naar het feromoon, gedurende de eerstvolgende paar uren niet meer aantrekkelijk voor andere mannetjes. 

De verhoogde ozonniveaus maakten niet enkel dat vrouwtjes minder aangetrokken werden tot mannetjes maar 'geozoneerde' mannetjes waren plotseling ook interessant voor hun mannelijke tegenhangers. 

"We wisten dat verhoogde ozonniveaus de paringssystemen van insecten konden beïnvloeden vanwege het verbreken door oxidatie van de dubbele koolstof-koolstofbinding en dus van de feromonen, dat is geen raketwetenschap. Desondanks waren we geschokt dat zelfs licht verhoogde ozonconcentraties zulke sterke effecten hadden op het gedrag van de vliegen", volgens Jiang en Knaden. 

"Oorspronkelijk wilden we ons in feite toespitsen op de interacties tussen de mannetjes en de vrouwtjes. We konden verklaren dat mannetjes elkaar het hof begonnen te maken, zelfs na een korte blootstelling aan ozon, omdat ze duidelijk geen onderscheid meer konden maken tussen geozoneerde mannetjes en vrouwtjes. We hadden hier echter niet eerder over nagedacht. We waren dan ook behoorlijk verbluft door het gedrag van de mannetjes die aan ozon blootgesteld waren, die lange kettingen vormden om elkaar het hof te maken."

Het onderzoeksteam bekeek zoals gezegd ook de effecten van verhoogde ozonniveaus in de lucht op het paringsgedrag van acht andere Drosophila-soorten, naast Drosophila melanogaster. Bij alle acht soorten stelde het team ongewoon hofmakerij-gedrag vast door mannetjes tegenover andere mannetjes die blootgesteld waren aan ozon.

Zelfs mannetjes van de soort Drosophila busckii hadden minder succes bij het paren nadat ze blootgesteld waren aan ozon, hoewel ozon zoals gezegd het feromoon niet aantast dat de mannetjes van deze soort afscheiden. Het is echter mogelijk dat andere, tot nog toe niet geïdentificeerde, chemische verbindingen die wel gevoelig zijn aan ozon, een bijkomende rol spelen in hun paargedrag.

Ten slotte onderzocht het team ook een soort, Drosophila suzukii, waarvan geweten is dat die geen feromonen heeft maar haar hofmakerij baseert op visuele signalen, en interessant was dat die soort absoluut geen invloed ondervond van verhoogde ozonniveaus. 

De implicaties van het onderzoek beperken zich lang niet enkel tot het seksleven van fruitvliegen. De meeste feromonen van insecten bevatten immers dubbele koolstof-koolstofbindingen en er wordt dan ook gedacht dat ozon de seksuele communicatie bij veel insectensoorten verstoort. 

"Insecten en hun feromonen zijn in de loop van miljoenen jaren geëvolueerd. De concentratie van vervuilende stoffen in de lucht is daarentegen pas spectaculair toegenomen sinds de industrialisering. Het is onwaarschijnlijk dat de communicatiesystemen van insecten, die het resultaat zijn van miljoenen jaren evolutie, in staat zullen zijn zich snel aan te passen aan de nieuwe omstandigheden als er plots geen feromonen meer zijn", zei Bill Hansson, het hoofd van de afdeling Evolutionaire Neuro-ethologie. "De enige oplossing voor dit dilemma is om onmiddellijk de uitstoot van verontreinigende stoffen in de atmosfeer te verminderen."

De onderzoekers in Jena willen de effecten van ozon op een ruimer scala aan insecten bestuderen, onder meer op motten die vaak hun partners over lange afstanden volgen op basis van geurstoffen. 

Seksferomonen spelen ook een cruciale rol bij insecten in het onderscheiden van hun soortgenoten van nauw verwante soorten. "We zouden willen te weten komen of hoge ozonniveaus leiden tot toegenomen hybridisatie als nauw verwante vliegensoorten elkaars habitat delen." 

Bovendien beperkt de impact van feromonen zich ook niet tot de paring, benadrukken de wetenschappers. "Alle sociale insecten zoals bijen, mieren en wespen gebruiken chemische aanwijzingen om leden van hun kolonie te identificeren", zei Knaden.

"We onderzoeken ook of de sociale structuur in mierenkolonies wordt aangetast, bijvoorbeeld als mieren terugkeren van hun foerageertochten en tijdens die tochten werden blootgesteld aan verhoogde niveaus van verontreinigende stoffen. Je wilt het je niet voorstellen wat er gebeurt als sociale structuren in mierenkolonies of bijenkorven plotseling instorten omdat feromooncommunicatie niet meer werkt."

Hoge ozonconcentraties zijn niet enkel schadelijk voor de mens. De huidige levensstijl van geïndustrialiseerde landen brengt zeer hoge kosten met zich mee voor het milieu en het klimaat en veel indirecte effecten zijn zelfs nog niet bekend. 

De nieuwe studie biedt een bijkomende verklaring voor de wereldwijde enorme achteruitgang van insectenpopulaties, naast de toepassing van insecticiden en de vernietiging van habitats. Als de chemische communicatie verstoord wordt door vervuilende stoffen in de lucht, kunnen insecten zich niet meer in voldoende mate voortplanten. 

Dat kan ook een invloed hebben op bestuivers, zoals bijen en vlinders. Zo’n 80 procent van de wilde planten en een groot deel van onze voedingsgewassen hebben insecten nodig voor de bestuiving. Dat toont aan welke omvang dit probleem in de toekomst kan aannemen, als we er niet in slagen de luchtvervuiling aanzienlijk terug te dringen, zeggen de onderzoekers.

De studie van de onderzoekers van het Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena is gepubliceerd in Nature Communications. Dit artikel is gebaseerd op een persmededeling van het Max-Planck-Geselschaft en een persbericht van het persbureau IPS.