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Trendbericht Anorganische Chemie: Bioanorganische und Koordinationschemie der d‐ und f‐Block‐Elemente

Von neuen und alten Liganden der ÜbergangsmetalleObwohl Bormonofluorid BF isoelektronisch zu Kohlenmonoxid ist, ist es bei Temperaturen unter 1800 °C nicht stabil. Ausgehend von einem formalen Eisen(−II)biscarbonylkomplex mit zwei sterisch anspruchsvollen Terphenyl-Isocyanidoliganden ließ sich du...

Insektenschwärme sind bereits umfassend untersucht. Bei Fischen, Vögeln und Menschen erleichtert jetzt eine neue Technik, die zugleich umfassend und detailliert ist, die Analyse des Kollektivverhaltens. Dabei sind chemische Signalstoffe wichtig.
Menschen, die von wissenschaftlicher Neugier angetrieben werden, neigen zur Schwarmbildung. Sie versammeln sich in Forschungsinstituten und in Konferenzen ihres Interessengebiets. In Konstanz gibt es jetzt einen neuen Anziehungspunkt für alle die, die sich für kollektives Verhalten interessieren.Im Jahr 2015 hatte das Max-Planck-Institut (MPI) für Ornithologie in Radolfzell den Verhaltensforscher Iain Couzin nach Konstanz berufen, und zwar als Direktor der neuen Abteilung für Schwarmforschung. Im Mai 2019 hat die Gesellschaft ein neues Institut rund um diese Abteilung gegründet, die vorher dem Radolfzeller MPI für Ornithologie unterstellt war. Jetzt residiert in Konstanz ein MPI für Verhaltensbiologie, in dem neben Couzin Martin Wikelski und Margaret Crofoot eigene Abteilungen leiten, die sich mit Migration beziehungsweise Verhaltensökologie befassen. Die Universität Konstanz ist im Rahmen des Forschungskollegs Kollektives Verhalten – eines ihrer zwei Exzellenzcluster – an dieser Forschung beteiligt.Um zu erkennen, was die Schwärme von Wirbeltieren umtreibt, greifen die Forscher am Bodensee auf moderner Technik zurück und – auf ein bisschen Chemie.<h2>Alarm im Schwarm</h2>In ihrer jüngsten Publikation befasste sich Couzins Arbeitsgruppe mit dem Schwarmverhalten des nordamerikanischen Süßwasserfischs Notemigonus crysoleucas (engl. Trivialname: golden shiner), der zu den Karpfenfischen zählt. Wie andere Fischarten hat N. crysoleucas eine chemische Alarmanlage in seiner Haut. Wird das Tier von einem Räuber gebissen, so gelangt Schreckstoff – der deutsche Begriff ist in der englischsprachigen Literatur gebräuchlich – in das Wasser und alarmiert die anderen Mitglieder des Schwarms.Nach der ursprünglichen Entdeckung Karl von Frischs, dass es bei Fischen solche Alarmstoffe gibt, wurde Hypoxanthin-3-N-oxid (Formel links) als aktive Komponente des Hautextrakts identifiziert. Allerdings ist diese Substanz nicht in allen Arten vertreten, welche die Verhaltensreaktion zeigen. Nach einer neueren Studie ist die alarmierende Substanz vielmehr eine Mischung aus Fragmenten des Chondroitinsulfats, eines Disaccharidbausteins, der in Glykoproteinen vorkommt.1) Selbst intaktes Chondroitinsulfat löst bei den Fischen Alarm aus. Sie können es riechen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/NTzl0ICuSE2BuEHC9V5s"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Hypoxanthin-3-N-oxid, der Schreckstoff, den Fische bei Gefahr absondern.</figcaption></figure>
Couzins Team untersuchte nun, ob sich der von Schreckstoff ausgelöste Zustand der erhöhten Alarmbereitschaft in einer erhöhten Wachsamkeit jedes einzelnen Fischs äußert oder ob sich das Verhalten der Gruppe insgesamt an die Gefahrensituation anpasst. Denkbar wäre auch eine Kombination beider Möglichkeiten. Hierzu filmten die Forscher Gruppen von jeweils 40 Fischen in einem Tank, in dem sie unter kontrollierten Bedingungen Schreckstoff freisetzten.2)Schreckstoff im Tank lässt den Schwarm enger zusammenrücken. Damit breiten sich Aktionen wie eine Richtungsänderung noch schneller als sonst durch den ganzen Schwarm aus. Dies bestätigt frühere Untersuchungen, nach denen sich Wellen von Verhaltensänderungen im Schwarm schneller ausbreiten, als die Fische oder ihre Fressfeinde schwimmen können.Die Reaktionsbereitschaft der Individuen hingegen scheint von der Wahrnehmung des Schreckstoffs nicht angestachelt zu werden – die Fische werden trotz wahrgenommener Gefahr nicht schreckhafter. Das ist sinnvoll, meint Couzin, weil jeder falsche Alarm Energie kostet und es bei einer geringeren Schreckschwelle mehr davon gäbe.Von Insekten war bekannt, dass sie Informationen im Schwarmverhalten reflektieren. Der chemische Schreck hat es nun zum ersten Mal ermöglicht, eine solche Informationsspeicherung im Kollektiv auch bei Wirbeltieren quantitativ nachzuweisen.<h2>Demokratie gewinnt</h2>In der neuen Abteilung für die Ökologie der Tiergesellschaften am Konstanzer MPI widmet sich Margaret Crofoot dem Sozialverhalten von Anubispavianen (Papio anubis). Diese leben in Gruppen, die zwischen 15 und 150 Mitglieder haben. Sie halten sich überwiegend auf dem Boden auf, was es für Verhaltensforscher einfacher macht, ihre Bewegungsmuster zu überschauen und sie mit GPS-Sendern zu verfolgen.In ihren Feldstudien in Kenia stattete Crofoot eine Gruppe von Pavianen nahezu komplett mit GPS-Sendern aus, nur zwei renitente Männchen entzogen sich der Markierung. Dank dieser Geräte und der von Couzins Arbeitsgruppe entwickelten Computeranalysen gewannen die Forscher Einblicke in das erstaunlich gut koordinierte Gruppenverhalten der Paviane.3)Obwohl die Paviane eine ausgeprägte Dominanzhierarchie aufweisen, zeigten die Ergebnisse keinerlei Kommandostruktur. Der soziale Rang eines Individuums schien nicht zu beeinflussen, ob eine Bewegung den Rest der Gruppe zum Folgen veranlasst oder ob das Tier letztlich zu den anderen zurückkehrt. Zusammenhalt der Gruppe ist das oberste Gebot, und wenn ein einzelner Pavian eine neue Richtung einschlägt, dann ist die Art, wie er sich bewegt – entschlossen oder zögerlich – ein wichtiger Faktor, der die Entscheidung der anderen beeinflusst.Sind Teile der Gruppe verschiedener Meinung, geht es sehr demokratisch zu – bei einem kleinen Unterschied zwischen den angepeilten Richtungen kommt es zum Kompromiss. Bei einem großen Unterschied entscheidet die Mehrheit. Die Grenze zwischen groß und klein liegt bei 90 Grad, es werden also spitzwinklige Richtungsunterschiede durch Kompromiss gelöst, stumpfwinklige durch Mehrheitsentscheidung.Soweit beruhen die Analysen nur auf der Beobachtung von natürlichem Verhalten. In weiteren Studien wollen Crofoot und Kollegen das Verhalten einzelner Paviane separat manipulieren, um die Rolle des Einzelnen in der Gruppe besser zu verstehen. Sie entwickeln zu diesem Zweck zum Beispiel Futterstationen, die nur für bestimmte elektronisch identifizierte Individuen das Futter freigeben.Die chemische Kommunikation zwischen Primaten wird derzeit nicht an Pavianen untersucht, wohl aber an Rhesusaffen. Dort fand man Gene für Pheromonrezeptoren. Vor kurzem wurde über mehrere Genomsequenzen von verschiedenen Pavianarten berichtet und deren Evolution analysiert.4) In diesem Datenschatz ließe sich nachschauen, welche Pheromone die Paviane vermutlich benutzen. Vielleicht sind ja die chemischen Signale an dem auffällig demokratischen Herdenverhalten beteiligt. In diesem Fall wären sie als leicht zu steuernde Variable in experimentellen Verhaltensstudien nützlich.<h2>Der Flug der Störche</h2>Die dritte Abteilung des Instituts unter Martin Wikelski ist in Radolfzell angesiedelt und gehörte vorher zum dortigen Institut für Ornithologie. Wikelski interessiert sich für ein kollektives Verhalten, das jeder am Himmel beobachten kann, das aber dennoch sehr schwierig in quantitativen Details zu analysieren ist: den Vogelzug.Erst seit wenigen Jahren stehen GPS-Sender zur Verfügung, die robust, leistungsfähig und leicht genug für diese Aufgabe sind. Mit diesen Geräten folgten Wikelskis Mitarbeiter einer Gruppe junger Störche auf deren erster herbstlicher Migration von Süddeutschland bis nach Spanien und untersuchten deren Verhalten.5)Störche nutzen die Thermik wie Segelflieger – sie schrauben sich mit der aufsteigenden Warmluft in die Höhe und gleiten dann im Sinkflug bis zur nächsten Thermik. So müssen sie den energieaufwendigen Flügelschlag nur sparsam einsetzen. Bei dieser Technik sind allerdings manche Störche besser als andere. Bereits am ersten Tag der Wanderung erkannten die Forscher die besten Flieger. Nur diese Tiere flogen später von Spanien weiter nach Westafrika, während die schwächeren Flieger den Winter über in Spanien blieben.<h2>Schwärmen ist menschlich</h2>Verhaltensforschung ist seit ihren Anfängen keine reine Zoologie – sie hat immer die Ausweitung auf den Menschen im Hinterkopf. Unser eigenes kollektives Verhalten ist derzeit eher kritisch zu beäugen, da die Verknüpfung von mehreren Milliarden Menschen durch das Internet nicht nur positive Effekte hat.Und auch, wenn dabei die Chemie fehlt: Die epidemische Ausbreitung von Hass, Falschmeldungen und Verschwörungstheorien in den sozialen Medien ist ein Forschungsgebiet, in dem ökologische Ansätze ebenfalls nützlich sind, wie vor kurzem eine Studie zum Hass in sozialen Medien zeigte.6)Der promovierte Chemiker Michael Groß ist freier Wissenschaftsjournalist in Oxford, England. <a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a><figure><img src="https://media.graphcms.com/MRBVKqwMTKGbVJ0TCX2G"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Foto: kichigin19/<a href="https://stock.adobe.com" target="_blank">stock.adobe.com</a></figcaption></figure>
<h2>AUF EINEN BLICK</h2>Im Konstanzer Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie erforschen Wissenschaftler das Verhalten von Fischen, Affen und Vögeln.Wird ein Fisch gebissen, sondert er eine Substanz ab, welche die Schwarmmitglieder alarmiert. Der Schwarm verdichtet sich, und Aktionen wie Richtungsänderungen breiten sich schneller aus.Inwieweit chemische Signalstoffe das Herdenverhalten von Affen und Vögeln beeinflussen, ist noch nicht vollständig geklärt.
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1 A. Mathuru, C. Kibat, W. F. Cheong et al., Curr. Biol. 2012, 22, 538–544</li><li>
2 M. M. G. Sosna, C. R. Twomey, J. Bak-Coleman et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2019, 116, 20556–20561</li><li>
3 A. Strandburg-Peshkin, D.R. Farine, I. D. Couzin, M.C. Crofoot, Science 2015, 348, 1358–1361</li><li>
4 J. Rogers, M. Raveendran, R. A. Harris et al., Sci. Adv. 2019, 5, eaau6947</li><li>
5 A. Flack, M. Nagy, W.Fiedler, I. D. Couzin, M. Wikelski, Science 2018, 360, 911–914</li><li>
6 N. F. Johnson, R. Leahy, N. J. Restrepo et al., Nature 2019, 573, 261–265</li></ul>

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