In den 1830er Jahren ein deutscher Naturforscher namens Renous wurde verhaftet in San Fernando, Chile für Ketzerei. Sein Anspruch? Er könnte Raupen in Schmetterlinge verwandeln. Einige Jahre später erzählte Renous seine Geschichte Charles Darwin, der sie auf der Reise des Beagle bemerkte.,
Jemanden einzusperren, weil er behauptet, was heute als Allgemeinwissen gilt, mag extrem erscheinen, aber die Metamorphose—der Prozess, durch den einige Tiere ihren Körper nach der Geburt abrupt verändern—hat längst zu Missverständnissen und Mystik geführt. Die Menschen wissen seit mindestens der Zeit des alten Ägypten, dass sich Würmer und Maden zu erwachsenen Insekten entwickeln, aber die Entwicklung der Insektenmetamorphose bleibt auch heute noch ein echtes biologisches Rätsel., Einige Wissenschaftler haben ausgefallene Ursprungsgeschichten vorgeschlagen, wie Donald Williamsons Idee, dass Schmetterlingsmetamorphose aus einer alten und zufälligen Paarung zwischen zwei verschiedenen Arten resultierte—einer, der sich am Boden windete und einer, der durch die Luft flog.
Metamorphose ist ein wirklich bizarrer Prozess, aber eine Erklärung seiner Entwicklung erfordert keine solche unbegründeten Theorien (für eine Kritik an Williamsons Hypothese, siehe diese Studie)., Durch die Kombination von Beweisen aus dem Fossilienbestand mit Studien zur Insektenanatomie und-entwicklung haben Biologen eine plausible Erzählung über den Ursprung der Insektenmetamorphose erstellt, die sie weiterhin als neue Informationsoberflächen überarbeiten. Die frühesten Insekten in der Geschichte der Erde verwandelten sich nicht; sie schlüpften aus Eiern, im Wesentlichen als Miniatur Erwachsene. Vor 280 Millionen bis 300 Millionen Jahren begannen einige Insekten jedoch etwas anders zu reifen—sie schlüpften in Formen, die weder wie ihre erwachsenen Versionen aussahen noch sich verhielten., Diese Verschiebung erwies sich als bemerkenswert vorteilhaft: Junge und alte Insekten konkurrierten nicht mehr um die gleichen Ressourcen. Metamorphose war so erfolgreich, dass heute bis zu 65 Prozent aller Tierarten auf dem Planeten Metamorphosen Insekten sind.
Das Ei einer Idee
1651 veröffentlichte der englische Arzt William Harvey ein Buch, in dem er vorschlug, Raupen und andere Insektenlarven seien frei lebende Embryonen, die nährstoffarme „unvollkommene Eier“ aufgegeben hätten, bevor sie gereift seien., Harvey argumentierte weiter, dass der Kokon oder die Puppe, in die eine Raupe während ihres Puppenstadiums eintrat, ein zweites Ei war, in dem der vorzeitig geschlüpfte Embryo wiedergeboren wurde. Er unterhielt die Idee, dass eine Raupe eine Kreatur und ein Schmetterling eine ganz andere Bestie sei.
Einige von Harveys Ideen waren vorausschauend, aber er meist falsch interpretiert, was er beobachtet. 1669 lehnte der niederländische Biologe Jan Swammerdam Harveys Vorstellung von der Puppe als Ei und dem Schmetterling als einem anderen Tier als der Raupe ab., Swammerdam sezierte alle Arten von Insekten unter einem Mikroskop und bestätigte, dass Larve, Puppe und erwachsenes Insekt Phasen in der Entwicklung eines einzelnen Individuums waren, nicht verschiedener Kreaturen. Er zeigte, dass man unreife Motten – und Schmetterlingskörperteile in einer Larve finden konnte, noch bevor sie einen Kokon drehten oder eine Puppe bildeten. In einigen Demonstrationen, zum Beispiel, Swammerdam schälte die Haut von Seidenraupen ab—das Larvenstadium der domestizierten Seidenmotte (Bombyx mori)—um die rudimentären Flügel im Inneren zu enthüllen.,
Heute wissen Biologen, dass diese adulten Strukturen aus Zellhaufen entstehen, die als imaginäre Scheiben bezeichnet werden und sich zuerst bilden, wenn sich ein Insektenembryo in seinem Ei entwickelt. Bei einigen Arten bleiben imaginäre Scheiben bis zum Puppenstadium weitgehend inaktiv, während derer sie sich schnell vermehren und zu erwachsenen Beinen, Flügeln und Augen heranwachsen, wobei gelöste Larvenzellen als Brennstoff und Bausteine verwendet werden. Bei anderen Arten nehmen imaginäre Scheiben die Form erwachsener Körperteile an, bevor sich das Insekt verpuppt (Siehe Seitenleiste: Wie verwandelt sich eine Raupe in einen Schmetterling?,)
Swammerdam erkannte auch, dass sich nicht alle Insekten auf die gleiche Weise Metamorphose. Er schlug vier Arten von Metamorphose vor, die Biologen später in drei Kategorien destillierten. Flügellose ametabolöse Insekten wie Silberfische und Borstenschwänze durchlaufen wenig oder gar keine Metamorphose. Wenn sie aus Eiern schlüpfen, sehen sie bereits aus wie Erwachsene, wenn auch winzige, und werden mit der Zeit durch eine Reihe von Häutungen, in denen sie ihre Exoskelette abwerfen, einfach größer., Hemimetaboly oder unvollständige Metamorphose beschreibt Insekten wie Kakerlaken, Heuschrecken und Libellen, die als Nymphen schlüpfen—Miniaturversionen ihrer erwachsenen Formen, die allmählich Flügel und funktionelle Genitalien entwickeln, wenn sie sich häuten und wachsen. Holometaboly oder vollständige Metamorphose bezieht sich auf Insekten wie Käfer, Fliegen, Schmetterlinge, Motten und Bienen, die als wurmartige Larven schlüpfen, die schließlich in ein ruhiges Puppenstadium eintreten, bevor sie als Erwachsene auftauchen, die den Larven nicht ähneln., Insekten können zwischen 80 und 90 Prozent aller Tierarten ausmachen, was bedeutet, dass 45 bis 60 Prozent aller Tierarten auf dem Planeten Insekten sind, die nach einer Schätzung einer vollständigen Metamorphose unterzogen werden. Klar, dieser lebensstil hat seine Vorteile.
Eine neue Generation
Vollständige Metamorphose wahrscheinlich aus unvollständiger Metamorphose entwickelt. Die ältesten versteinerten Insekten entwickelten sich ähnlich wie moderne ametabole und hemimetabole Insekten—ihre Jungen sahen aus wie Erwachsene. Fossilien aus der Zeit vor 280 Millionen Jahren zeichnen jedoch die Entstehung eines anderen Entwicklungsprozesses auf., Um diese Zeit begannen einige Insekten aus ihren Eiern nicht als winzige Erwachsene zu schlüpfen, sondern als wurmartige Lebewesen mit prallen Körpern und vielen winzigen Beinen. In Illinois zum Beispiel haben Paläontologen ein junges Insekt ausgegraben, das wie eine Kreuzung zwischen einer Raupe und einer Grille aussieht, mit langen Haaren, die seinen Körper überziehen. Es lebte in einer tropischen Umgebung und stöberte wahrscheinlich durch Laubstreu nach Nahrung.,
Biologen haben nicht endgültig bestimmt, wie oder warum einige Insekten in einer Larvenform zu schlüpfen begannen, aber Lynn Riddiford und James Truman, früher von der University of Washington in Seattle, haben eine der umfassendsten Theorien konstruiert. Sie weisen darauf hin, dass Insekten, die durch unvollständige Metamorphose reifen, eine kurze Lebensphase durchlaufen, bevor sie Nymphen werden—das pro-nymphale Stadium, in dem Insekten anders aussehen und sich anders verhalten als ihre wahren Nymphenformen., Einige Insekten wechseln von Pro-Nymphen zu Nymphen, während sie sich noch im Ei befinden; Andere bleiben Pro-Nymphen für nur wenige Minuten bis einige Tage nach dem Schlüpfen.
Vielleicht ist dieses pro-nymphale Stadium, Riddiford und Truman vorschlagen, entwickelte sich in die Larvenstadium der vollständigen Metamorphose. Vor vielleicht 280 Millionen Jahren konnten einige Pro-Nymphen durch eine zufällige Mutation nicht das gesamte Eigelb in ihren Eiern aufnehmen und ließen eine wertvolle Ressource ungenutzt., Als Reaktion auf diese ungünstige Situation erlangten einige Pro-Nymphen ein neues Talent: die Fähigkeit, aktiv zu füttern, das zusätzliche Eigelb zu schlürfen, während es sich noch im Ei befindet. Wenn solche Pro-Nymphen aus ihren Eiern hervorgegangen wären, bevor sie das Nymphenstadium erreicht hätten, hätten sie sich weiterhin in der Außenwelt ernähren können., Im Laufe der Generationen sind diese Säuglingsinsekten möglicherweise länger und länger in einem langwierigen pro-nymphalen Stadium geblieben, haben sich währenddessen wurmiger entwickelt und sich auf Diäten spezialisiert, die sich von denen ihrer erwachsenen Selbst unterschieden—Früchte und Blätter konsumieren, anstatt Nektar oder andere kleinere Insekten. Schließlich wurden diese präpubertären Pro-Nymphen zu vollwertigen Larven, die modernen Raupen ähnelten. Auf diese Weise entspricht das Larvenstadium der vollständigen Metamorphose dem pro-nymphalen Stadium der unvollständigen Metamorphose., Das Puppenstadium entstand später als eine Art kondensierte Nymphenphase, die die zackigen Larven in ihre sexuell aktiven geflügelten erwachsenen Formen katapultierte.
Einige anatomische, hormonelle und genetische Beweise unterstützen dieses evolutionäre Szenario. Anatomisch gesehen haben Pro-Nymphen eine ganze Menge mit den Larven von Insekten gemeinsam, die sich einer vollständigen Metamorphose unterziehen: Beide haben weiche Körper, haben keine schuppige Rüstung und besitzen unreife Nervensysteme. Ein Gen namens Broad ist essentiell für das Puppenstadium der vollständigen Metamorphose., Wenn Sie dieses Gen ausschalten, bildet eine Raupe niemals eine Puppe und wird kein Schmetterling. Das gleiche Gen ist wichtig für die Häutung während des nymphalen Stadiums der unvollständigen Metamorphose, was die Äquivalenz von Nymphe und Puppe bestätigt. Ebenso haben sowohl Pro-Nymphen als auch Larven einen hohen Gehalt an Jugendhormon, von dem bekannt ist, dass es die Entwicklung erwachsener Merkmale unterdrückt., Bei Insekten, die einer unvollständigen Metamorphose unterzogen werden, sinkt der Spiegel des Jugendhormons, bevor sich die Pro-Nymphe in die Nymphe mausert; Bei vollständiger Metamorphose überflutet das Jugendhormon jedoch den Körper der Larve bis kurz vor der Verpuppung. Die Entwicklung einer unvollständigen Metamorphose in eine vollständige Metamorphose beinhaltete wahrscheinlich eine genetische Optimierung, die den Embryo früher als gewöhnlich in Jugendhormon badete und den Hormonspiegel ungewöhnlich lange hoch hielt.,
Wie auch immer sich die Metamorphose entwickelte, die enorme Anzahl Metamorphosen Insekten auf dem Planeten sprechen für ihren Erfolg als Fortpflanzungsstrategie. Der Hauptvorteil der vollständigen Metamorphose ist die Beseitigung der Konkurrenz zwischen Jung und Alt. Larveninsekten und erwachsene Insekten besetzen sehr unterschiedliche ökologische Nischen. Während Raupen damit beschäftigt sind, sich auf Blättern zu verschlingen, völlig desinteressiert an der Fortpflanzung, Schmetterlinge flitzen von Blume zu Blume auf der Suche nach Nektar und Kumpels., Da Larven und Erwachsene nicht um Platz oder Ressourcen miteinander konkurrieren, können mehr von ihnen relativ zu Arten koexistieren, in denen Jung und Alt an denselben Orten leben und dieselben Dinge essen. Letztendlich erklärt der Anstoß für viele der erstaunlichen Transformationen des Lebens auch die Insektenmetamorphose: Überleben.