Temperatur-Turbulenzen: So beeinflusst die Hitze Fliegengehirne!

Mainz, Deutschland - Ein Forschungsteam an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz hat kürzlich den Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Gehirnentwicklung von Drosophila melanogaster, allgemein bekannt als Fruchtfliegen, untersucht. Laut den Ergebnissen, die im Wissenschaftsjournal Science Advances veröffentlicht wurden, ist die Temperatur während der Verpuppung ein entscheidender Faktor für die synaptische Vernetzung der Nervenzellen in den Fliegen.

Die Studienergebnisse zeigen, dass die Neuronen im Geruchssystem der Fruchtfliegen bei niedrigeren Temperaturen, etwa 18 °C im Vergleich zu 25 °C, mehr Synapsen bilden und somit mehr postsynaptische Verbindungen aufweisen. Dies bedeutet, dass eine Temperaturabsenkung nicht nur die Gehirnentwicklung, sondern auch das geruchsgesteuerte Verhalten der Fliegen beeinflusst. Höhere Temperaturen beschleunigen die Entwicklung der Fliegen, während niedrigere Temperaturen die Anzahl der Synapsen signifikant erhöhen.

Experimentelle Erkenntnisse

Das Forschungsteam unter der Leitung von Martelli entdeckte, dass Fliegen, die bei 18 °C entwickelt wurden, mehr als doppelt so viele postsynaptische Nervenzellen hatten wie solche, die bei 25 °C reiften. Diese erhöhte Vernetzung zeigt sich in allen Stufen der Geruchsverarbeitung des Gehirns. Darüber hinaus wird vermutet, dass die metabolischen Bedingungen innerhalb der Nervenzellen bei niedrigeren Temperaturen begünstigt werden, was eine schnellere metabolische Aktivität zur Folge haben könnte. Dennoch fehlt bislang ein direkter Nachweis für diese Annahme, weshalb weitere Untersuchungen zur Genexpression geplant sind.

Ein weiterer bemerkenswerter Aspekt der Studie ist, dass Fliegen, die bei 18 °C aufwuchsen, eine stärkere Anziehung zu Butanon zeigten als ihre Artgenossen bei 25 °C. Interessanterweise hielt jedoch die neuronale Aktivität im Riechzentrum trotz der höheren Vernetzung in den Gehirnen der Fliegen weitgehend konstant. Diese beobachteten Verhaltensänderungen könnten eher auf die Konnektivität in höhergelegenen Gehirnbereichen als auf verbesserte Riechfähigkeiten zurückzuführen sein.

Einfluss der Temperatur auf biochemische Prozesse

Temperatur hat nicht nur Einfluss auf die Gehirnentwicklung, sondern auch auf biologische Reaktionen im Allgemeinen. Die RGT-Regel besagt, dass eine Temperaturerhöhung um 10 °C die Reaktionsgeschwindigkeit in biochemischen Prozessen verdoppeln kann. Diese Regel gilt jedoch nur bedingt für biologische Systeme, da Biomoleküle ab einer bestimmten Temperatur degenerieren können. Jedes Enzym hat somit ein spezifisches Temperaturoptimum.

Beispielsweise degenerieren menschliche Proteine bereits bei Temperaturen ab 42 °C, während hochtemperaturliebende Organismen Temperaturen von bis zu 100 °C und mehr standhalten können. Enzyme, wie die Amylase im menschlichen Speichel, zeigen eine optimale Funktion bei Körpertemperatur (37 °C). Studien zur Temperaturabhängigkeit von Enzymen haben gezeigt, dass sehr niedrige oder sehr hohe Temperaturen den Abbau von Stärke beeinträchtigen können, was die Bedeutung der richtigen Temperatur für enzymatische Reaktionen unterstreicht.

Die deutschsprachige Forschungsgruppe an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz freut sich über die Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und das Institute for Quantitative and Computational Biosciences (IQCB), die diesen wichtigen Forschungsbereich weiter vorantreiben.