50 Millionen Jahre Optimierung

Willie muss rehabilitiert werden. Willie, dieser kleine, angeblich faule und ständig müde Kerl, der Freund von Maja, genau, der Biene Maja aus der Zeichentrickserie. Seit den siebziger Jahren lernen Kinder beim Anschauen dieser Fernsehserie, dass die etwas dickliche, etwas dümmliche Biene Willie viel lieber stundenlang in ihrer Wabe liegt und schläft, als an der frischen Luft herumzusummen und Nektar zu sammeln, wie es sich für eine fleißige Biene gehört.

Noch vor kurzem hätte die Bienenforschung bestätigt, dass es tatsächlich solche faulen Bienen gibt. Doch inzwischen haben Würzburger Wissenschaftler herausgefunden, dass Bienen wie Willie eben doch nicht faul sind, sondern eine der wichtigsten Funktionen zum Nutzen des Bienenstocks übernehmen: Sie heizen.

Derjenige, in dessen Arbeitsgruppe Willies wahrer Charakter aufgedeckt wurde, will „mit einer dicken Stoffbiene in der Hand im Innern des Bahnhofsgebäudes“ in Würzburg warten, so hieß es in der E-Mail. Und tatsächlich steht da ein weißhaariger und -bärtiger, freundlich lächelnder Mann mit Biene, der das Klischee vom Imker wie das vom Biologie-Professor bestens bedient. „Von den Bienen kann man viel lernen“, erklärt Jürgen Tautz auf der Fahrt zur Bienenstation der Bayerischen Julius-Maximilians-Universität Würzburg. Keine andere Tierart habe im Laufe der Evolution eine dem Menschen so ähnlich hohe Organisationsform erreicht: „Bienen sind Ingenieure, Architekten, Meister der Vorratswirtschaft; sie navigieren und kommunizieren auf hohem Niveau und leisten sich ein komplexes Sozialsystem“, sagt Tautz. „Das System Bienenstock ist durch die Evolution in den vergangenen 50 Millionen Jahren so optimiert worden, dass der Mensch mit Sicherheit Prinzipien, Tricks oder Problemlösungen von den Bienen lernen kann.“ „Bee-onik“ nennt Tautz das.

Einer Kleinstadt gleich kann sich ein Bienenvolk von 80.000 Tieren mit dem selbst produzierten Baustoff Wachs in Leichtbauweise eine ideale Lebensumwelt schaffen, sagt der Professor. Es ist diese Verschränkung von Ingenieurskunst mit dem Sozialverhalten innerhalb des Staates, die den Wissenschaftler fasziniert. Vor zehn Jahren hängte er seine neurobiologischen Forschungen an Krebsen an den Nagel, um auf Bienen umzusatteln und die „Beegroup“ zu gründen. „Mein Vorgänger hier in Würzburg schenkte mir einen Bienenstock“, sagt er und hält vor einem Häuschen, das nichts von dem üblichen Labor-Ambiente hat, sondern so wohnlich daherkommt, als ob ein älteres Ehepaar die Räume vorübergehend den Forschern zur Verfügung gestellt hätte.

Heizen ist wie Gas und Kupplung gleichzeitig treten

Die Beegroup will die Grundlagenforschung an der Biene für mögliche Anwendungsaspekte öffnen, so Tautz. Und gerade das über Jahrmillionen bewährte Heizsystem der Bienen könnte wichtige Lehren für den Menschen bereithalten. Die Bienen vollbringen Höchstleistungen: „In der Tiefkühltruhe bei minus 20 bis minus 40 Grad kann ein Schwarm in seinem Bienenstock über Tage und Wochen eine Temperatur von 20 Grad halten“, sagt Marco Kleinhenz, Doktorand in der Beegroup. „Selbst bei minus 80 Grad halten die Tiere zwölf Stunden durch.“

Es waren Kleinhenz und seine Kollegin Brigitte Bujok, die die Heizbienen entdeckten, als sie den Bienenstock mit einer Thermokamera filmten. Schienen die Tiere bei oberflächlicher Betrachtung nur regungslos in oder auf den Waben herumzulungern, glühten sie im Wärmebild geradezu auf. „Solche Bienen sind früher ganz offiziell als Faulenzer bezeichnet worden“, sagt Kleinhenz. „Man wusste einfach nicht, was die so lange in der Zelle machen. Denn alle anderen Tätigkeiten, Putzen oder Füttern der Larven, dauert weniger als zwei Minuten.“ Doch Willie und seinesgleichen sind alles andere als faul. Das Heizen ist ebenso anstrengend wie das Fliegen. „Der Energieverbrauch einer ruhenden Biene beträgt etwa ein Milliwatt“, sagt Kleinhenz. „Sowohl beim Fliegen als auch beim Heizen erreicht die Biene 30 bis 50 Milliwatt“, denn in beiden Fällen schuften die Flugmuskeln. In der Regel wandeln Muskeln höchstens 30 Prozent der chemischen Energie in Arbeit um, der Rest geht als Wärme verloren. Beim Heizen werden die Flügel jedoch nicht bewegt: „Durch eine mechanische Versteifung des Brustkorbs arbeitet die Muskulatur anders als im Flugbetrieb“, sagt Kleinhenz. Das sei, als würden „Gas und Kupplung gleichzeitig getreten werden“, ergänzt Jürgen Tautz.

So laut wie der Automotor dann aufheulen würde, so leise äußert sich die Anstrengung der Biene: Ihr Hinterleib pumpt wie ein Blasebalg und saugt so Sauerstoff in den Bienenkörper. Denn statt einer Lunge haben Insekten über den Körper verteilt verschließbare Öffnungen, über die die Luft durch feine Schlauchverästelungen, so genannte Tracheen, im Organismus verteilt wird. Untätige Bienen pumpen nur ein paar Mal pro Minute, „doch der Hinterleib der Heizbienen zuckt unablässig“, sagt Kleinhenz. Ein erstes Indiz, dass Willie in Wahrheit Schwerstarbeit verrichtet.

Der Leerlauf der Flugmuskeln heizt den Brustkorb der Biene auf bis zu 43 Grad Celsius an, wodurch die Tiere im Wärmebild wie Glühwürmchen leuchten. Im Bienenstock finden die Forscher die hellen heißen Bienen aber immer nur in der Mitte des Nestes, denn dort legt die Königin, die einzige Fortpflanzungsbiene im Stock, ihre Eier ab. Im äußeren Bereich einer Wabe, die aus tausenden der typisch sechseckigen Zellen bestehen kann, liegen die Honigvorräte, die gleichzeitig als Wärme-Isolator dienen.

Drei Tage nach der Eiablage schlüpft eine Larve, die von den Arbeiterinnen bis zum sechsten Tag mit eiweißreichem Speichel, Pollen und Honig gefüttert wird. Dann wird die Zelle mit einem Wachsdeckel verschlossen. Da die Königin ständig Eier legt, ist der zentrale Brutbereich fast ununterbrochen gedeckelt, wie der Imker sagt. In den gedeckelten Zellen findet die Verpuppung und Umwandlung der Larve in eine Biene statt. War das Ei nicht befruchtet, schlüpft nach 15 Tagen eine Drohne, eine männliche Biene. Handelt es sich um eine Larve, die in einer größeren, so genannten Weiselzelle mit besonders nährstoffreichem Futter aufgezogen wurde, schlüpft schon nach sieben Tagen eine Königin.

Meist knabbert sich jedoch nach zwölf Tagen eine Arbeiterin durch den Wabendeckel und fängt schon nach ein, zwei Tagen zu putzen und zu füttern an. Im Alter von etwa zehn Tagen kann sie ausreichend Wachs produzieren und wird zur Baubiene, anschließend zur Wächterbiene am Stockeingang. Am zwanzigsten Tag verlässt sie den Stock und beginnt Nektar und Pollen zu sammeln. So steht es im Lexikon.

Bald dürfte dort außerdem stehen, dass ab einem Alter von drei Tagen alle Bienen in der Lage sind zu heizen. Und dass es zwei Sorten von heißen Bienen gibt, wie Marco Kleinhenz und seine Kollegin Brigitte Bujok entdeckt haben. Wie in der Zeichentrickserie beschrieben, finden die Bienenforscher die Willies in einer der wenigen leeren Zellen im Brutbereich. Dort sitzt die Biene, nicht schlafend, sondern heizend bis zu einer Stunde vermeintlich regungslos, und wärmt die benachbarten gedeckelten Waben samt der Larven darin. Da an eine leere Zelle bis zu sechs Brutkammern grenzen, kann eine Heizbiene also die Temperatur von sechs Larven direkt beeinflussen. Die Bienenglut ist sogar noch drei Brutkammern entfernt messbar, so dass durch eine Heizbiene in 36 Zellen die Temperatur steigt. Die zweite Sorte Glühbienen sitzt nicht in den Zellen, sondern drückt den heißen Brustkorb auf den Deckel einer Kammer. „Dabei kann man auch sehen, dass die Biene die Antennen am Kopf auf den benachbarten Brutdeckel legt“, erklärt Kleinhenz. Vermutlich messen die Bienen so die Temperatur oder registrieren Signale von der Brut. Jedenfalls wisse man, dass in den Antennenspitzen Temperatursensoren sitzen, die Temperaturunterschiede bis zu einem Viertelgrad wahrnehmen können.

Schutz vor Pilzen und Parasiten

Irgendwann müssen die mobilen Heizkörper Brennstoff nachtanken. Dabei bedienen sich die Willies nicht am Honigvorrat, obwohl der nur ein paar Zellen entfernt im Überfluss vorhanden ist. „Energie bekommen die Bienen immer nur von anderen Bienen“, sagt Tautz, der diesen sozialen Aspekt der Energieversorgung so faszinierend wie rätselhaft findet. „Wie der Mensch Kohlenkeller hat, legt auch die Biene Vorräte an, nur bringt einem im Bienenstock ständig jemand die Kohle vorbei.“ Jede Arbeiterin ist jederzeit bereit, eine bettelnde Kollegin zu füttern. „Füttern und Betteln ist ein grundlegendes soziales Verhalten bei Bienen“, sagt Rebecca Basile, die in ihrer Doktorarbeit über die Energieströme im Bienenstock forscht. Erst wenn die Bienen durch selteneres Betteln signalisieren, dass sie satt sind, wird Futter in Form von Honigvorräten eingelagert. Tiere mit hohem Energieaufwand, wie die Heizbienen, betteln häufiger und bekommen auch entsprechend mehr Futter.

Doch wozu der ganze Aufwand – die meisten Insektenarten legen doch auf Wärme kaum Wert? Noch ist es den Würzburger Forschern ein Rätsel, warum die Brut-Temperatur bei den Bienen so hoch und bis auf ein halbes Grad genau konstant gehalten wird. Zumindest konnte die Beegroup beobachten, dass sich bei Temperaturen über oder unter dem Bereich von 33 bis 36 Grad Entwicklungsfehler einstellen. Schon ab 38 Grad und unter 28 Grad sterben alle Larven. „Eine Erklärung könnte sein, dass die Brut durch die hohe Temperatur vor Pilzen und anderen Parasiten geschützt ist“, sagt Kleinhenz.

Am Geruch erkannt

Aber die Forscher haben noch einen anderen Verdacht: Könnte die Temperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt der Entwicklung einer Bienenlarve eine Rolle im Leben der erwachsenen Biene spielen? Aus Untersuchungen an anderen Insekten, wie der Fruchtfliege Drosophila melanogaster, wissen Entwicklungsbiologen, dass Gene auf Temperaturschwankungen sensibel reagieren können. „Für die Entwicklung des Bienengehirns könnte die Wärme wichtige Konsequenzen haben“, sagt Tautz. Es sei bekannt, dass der so genannte Pilzkörper im Bienenhirn, der für die Geruchsverarbeitung wichtig ist, bei hohen Temperaturen besser ausgebildet wird. Hirnregionen für assoziatives Denken werden hingegen bei etwas niedrigeren Temperaturen besser entwickelt. Larven, die gewissermaßen zu heiß gebadet wurden, könnten demnach als Biene ein anderes Verhaltensrepertoire entwickeln als solche, die es zu einem bestimmten Zeitpunkt kühler hatten. Noch sind das Hypothesen. Einen ersten Hinweis, dass einzelne Bienen eine individuelle Hitzekur bekommen, hat die Beegroup jedoch: Die Temperatur einzelner Zellen einer Wabe schwankt regelmäßig um 0,2 Grad Celsius.

Auch Wespen, Hummeln oder tropische Nachtfalter heizen mit ihrer Flugmuskulatur gezielt, aber in der Regel nur, um den Flugapparat auf Betriebstemperatur zu trimmen. Hummeln und Hornissen können auch ihrer Brut einheizen. Bienen sind jedoch dank ihrer mobilen Zentralheizung nicht nur in der Lage, als ganzes Volk zu überwintern, sondern schon ab Januar und bis in den November hinein Nektar zu sammeln. Schließlich können sie sich die Gliederfüße danach an einer warmen Wabe wärmen. Zudem steigt mit der Temperatur auch der Eigengeruch – was wichtig ist, weil sich Bienen an ihrer Duftnote erkennen. „Kurz bevor eine Biene in den Stock zurückkehrt, glüht sie kurz auf und lässt so die Geruchswolke los“, sagt Tautz, „damit zeigt sie der Wächterbiene am Eingang vermutlich die Bienen-Form des Personalausweises.“

Die Würzburger Forscher hoffen, dass sich aus dem Studium des im Laufe der Evolution immer weiter optimierten Heizsystems des Bienenstocks praktische Erkenntnisse für die Erwärmung menschlicher Behausungen ziehen lassen. So untersucht die Beegroup, ob die Anzahl und Verteilung der leeren und damit zum Heizen geeigneten Zellen womöglich einem Muster folgt, das eine optimale Heizleistung bewirkt. Leere Zellen können entstehen, wenn eine Biene früher als die andere schlüpft, die Larve aus der Kammer ausgeräumt wurde oder die Königin dort gar kein Ei gelegt hat. Ob Planung dahinter steckt, untersucht das Bienen-Team noch. „Wir haben aber Hinweise darauf, dass die Anzahl der Lücken im Stock ein Anpassungsvorteil für die Biene ist“, sagt Tautz. Ein chinesischer Kollege habe Bienenstöcke auf verschiedenen Niveaus fotografiert, auf Meeresspiegel-Höhe, auf 100 und 1000 Metern Höhe. „Wenn die Löcher die Effektivität des Heizens erhöhen, dann müssten in den kalten Höhenlagen mehr leere Zellen zu finden sein.“ Genau das ergab die Auswertung der Bilder. Und auch wer hier zu Lande einen Bienenstock im Sommer betrachtet, findet weniger leere Zellen als im Frühjahr und Herbst.

Verbundwerkstoff aus 300 Komponenten

Tautz kann bereits auf erste praktische Anwendungen seiner Forschungsergebnisse verweisen. Angeregt durch die Ergebnisse seines Teams, entwickelte das Unternehmen Knauf Gips KG in Iphofen in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE) in Würzburg eine Gipsplatte, der Bienenwachs beigemengt wird. „Wenn Innenräume mit diesen Platten ausgestattet werden, können wirkungsvoll Temperaturspitzen abgefangen werden“, erklärt Tautz. Wird es heiß, binden die mikroskopisch feinen Wachspartikel in der Platte die Wärme und schmelzen. Kühlt es nachts ab, wird das Wachs wieder fest – und die gespeicherte Wärme wird abgegeben. „So kann man die Raumtemperatur in einem bestimmten Bereich halten.“

Und das ist erst der Anfang, hofft Tautz. Er verspricht sich viel aus der Analyse der weitgehend unbekannten Mengenverhältnisse der Bienenwachs-Komponenten, die je nach äußeren Einflüssen variieren. Der Stoff, den Bienen in einer speziellen Drüse am Hinterleib produzieren, besteht aus rund 300 Komponenten. Ihm mengen die Bienen noch so genanntes Propolis bei, Harze von den Pflanzenknospen, die den Schmelzpunkt des Wachses erhöhen und Bakterien- und Pilzwachstum hemmen. „Ein echter Verbundwerkstoff“, so Tautz, den die Biene je nach Bedarf modelliert. „Wenn man einen Bienenstock aus Deutschland nach Spanien verlegt, dann wird das Wachs weich, weil es einen zu niedrigen Schmelzpunkt hat“, weiß der Forscher. Innerhalb einer Woche schaffen es die Bienen jedoch, den Baustoff an die neuen Bedingungen anzupassen. Und auch beim Bauen kommt wieder die Heizfähigkeit zum Tragen, denn das Wachs kann so geschmeidig gehalten und besser verarbeitet werden.

Was das Heizen und Faulenzen betrifft, können die Würzburger Forscher das Müßiggänger-Vorurteil gegen Willie allerdings nicht ganz aus der Welt schaffen. Denn wie sie inzwischen wissen, heizen nicht alle Bienen, wenn sie in den leeren Zellen stecken. Von 13 Tieren, die Kleinhenz über Stunden beobachtete, waren acht mit Heizen beschäftigt. Fünf schliefen.

Willies Flugschreiber

Die Forscher der Beegroup rücken den Geheimnissen der Biene mit modernster Technik zu Leibe. Während Karl von Frisch, der für seine Forschungen 1973 den Nobelpreis für Medizin erhielt, Bienen noch mit einem Farbklecks auf dem Rücken unterscheidbar und beobachtbar machte, kleben die Würzburger inzwischen tausenden von jungen Bienen RFID-Chips auf den Rücken (Radio Frequency Identification). Die Chips senden einen Identifizierungscode. Und ein Sensor, angebracht zum Beispiel am Stockeingang, erfasst jeden Vorbeiflug. Die Daten werden in einem Computer gesammelt. „Bienen sind soziale Insekten, also ist es wichtig, nicht nur zehn oder zwanzig Tiere zu beobachten, sondern am besten tausende“, sagt Sebastian Streit, der Informatiker der Beegroup.

In Zusammenarbeit mit mehreren RFID-Firmen entwickelten die Würzburger einen 1 x 1 Millimeter kleinen, 2,3 Milligramm leichten Chip, der die Bienen nicht beeinträchtigt. Zwar fallen bei dieser automatischen Datenerfassung Unmengen von Informationen an, sagt Streit. Bei tausenden von Bienen, die bis zu sieben Monate leben und mehrmals am Tag ausfliegen, können das schnell eine halbe Million Daten werden. 

Doch der Vorteil ist, dass jederzeit, und über das Internet auch von jedem anderen Bienenlabor aus, eine Auswertung möglich ist – vor allem dann, wenn sich nach einer Bienensaison neue spannende Fragen ergeben, auf die die Daten eine Antwort geben könnten.

http://zoo2.biozentrum.uni-wuerzburg.de/tautz

Dieser Text stammt aus unserer Redaktion Corporate Publishing.