Um eine unwahrscheinliche Nahrungsquelle zu erschließen, müssen Insekten, die klein genug sind, um auf einem Radiergummi zu sitzen, stärker saugen als jede bekannte Kreatur.
Philaenus spumarius Froschzikaden durchbohren Pflanzen mit ihren Mundwerkzeugen, um sich ausschließlich von Xylemsaft zu ernähren, einer Flüssigkeit, die hauptsächlich aus Wasser besteht und sich durch die inneren Leitungen der Pflanzen bewegt. Die Substanz ist nicht nur weitgehend nährstoffarm, sondern steht auch unter Unterdruck, ähnlich einem Vakuum. Das Saugen des Saftes erfordert eine Saugkraft, die einer Person entspricht, die Wasser aus einem 100 Meter langen Strohhalm trinkt.
Eine solche Leistung schien den winzigen Insekten so unwahrscheinlich, dass einige Wissenschaftler in Frage stellten, ob Xylemsaft wirklich einem solchen negativen Druck ausgesetzt sein könnte. Aber sowohl biomechanische als auch metabolische Beweise deuten darauf hin, dass Zikaden Unterdrücke von mehr als einem Megapascal erzeugen können, berichten Forscher vom 14. Juli in Verfahren der Royal Society B.
„Es ist unglaublich beeindruckend. [The scientists] hat eine Reihe von Techniken verwendet, um ein seit langem bestehendes Problem anzugehen“, sagt Jake Socha, ein Biomechaniker an der Virginia Tech in Blacksburg, der nicht an der Arbeit beteiligt war. „Diese Insekten sind wirklich gut geeignet,“ extreme Unterdrücke zu erzeugen.
Das Problem besteht seit langem, denn die Messung von Unterdrücken ist schwierig. Im Xylem wird der Saft wie an einer Schnur gezogen, gefangen in einem Tauziehen zwischen schwammigem Boden und luftigen Blättern. Das Durchbohren der Pflanze mit Drucksonden kann diese innere Spannung leicht brechen, daher verwenden Wissenschaftler normalerweise eine indirektere Methode. Durch das Abschneiden eines Teils einer Pflanze und das Stecken des Blattendes in eine Druckkammer mit herausstehendem Stängel können Forscher den auf die Außenseite der Pflanze ausgeübten Druck erhöhen, bis er den Innendruck der Pflanze gerade überschreitet und Xylemsaft aus dem Stängel austritt . Diese Strategie legt nahe, dass der negative Druck von Xylemsaft ein Megapascal überschreiten kann.
Dass sich winzige Zikaden und andere Insekten von Xylemsaft ernähren, hat die Skepsis gegenüber diesen Messungen geschürt, sagt Philip Matthews, vergleichender Physiologe an der University of British Columbia in Vancouver. Elefanten zum Beispiel erzeugen nur 0,02 Megapascal Unterdruck, wenn sie große Mengen Wasser durch ihren Rüssel saugen (SN: 03.06.21), armselig im Vergleich zu Froschzikaden.
Einige Wissenschaftler denken, dass es energetisch einfach zu teuer ist, dieses Zeug zu extrahieren [xylem pressures] kann nicht so negativ sein“, sagt er. „Es muss leicht zu extrahieren sein, wenn [froghoppers are] wird von etwas so Verwässertem überleben.“
Skeptisch gegenüber den Skeptikern versuchten Matthews und Kollegen, die Saugfähigkeiten von Froschzikaden durch zwei Ansätze zu messen, einen biomechanischen und einen metabolischen. Froghoppers erzeugen Saugkraft mit einer pumpartigen Struktur in ihrem Kopf, bei der Muskeln an einer Membran ziehen, um einen Unterdruck zu erzeugen, ähnlich einem Kolben. Mit Mikro-CT-Scans von vier Insekten maßen die Forscher die Länge und Festigkeit dieser Strukturen und berechneten dann das Saugpotential der Insekten mit der einfachen physikalischen Formel Druck gleich Kraft geteilt durch Fläche. Im Prinzip stellte das Team fest, dass Froghoppers Unterdrücke von 1,06 bis 1,57 Megapascal erzeugen können.
„Natürlich können sie diese Spannungen erzeugen, also müssen sie mit Xylemspannungen um dieses Niveau füttern“, sagt Matthews. “Sie würden eine so massive Kapazität nicht entwickeln, wenn Sie sie nicht nutzen würden.”
Das Team validierte diese abstraktere Schätzung, indem es berechnete, wie viel Energie Zikaden beim Saugen an Bohnen-, Erbsen- oder Luzernepflanzen verbrauchen. Diese Energie sollte proportional zu dem Druck sein, den die Insekten in Pflanzen überwinden müssen. Indem sie Futterzikaden in Kammern platzierten, die das ausgestoßene Kohlendioxid messen, konnten die Forscher die Stoffwechselrate der Insekten berechnen. Das Team verwendete auch Kameras, um zu verfolgen, wie viel Flüssigkeit die Wanzen ausgeschieden haben.
Sobald die Zikaden mit dem Saugen begannen, stieg ihre Stoffwechselrate gegenüber der Ruherate um 50 bis 85 Prozent, und die Insekten schieden mehr aus als im Ruhezustand, fanden die Forscher heraus. Die Anstrengung sei „wie ein Marathonlauf“, sagt Matthews. „Sie bewegen eine enorme Menge an Flüssigkeit…. Wenn ein Käfer menschengroß wäre, würde er 4 Liter Flüssigkeit pro Minute pinkeln.“
Obwohl Xylemsaft hauptsächlich aus Wasser besteht, gibt es genug Nährstoffe, um die übergroßen Fähigkeiten der Froschzikaden anzutreiben, schätzen die Forscher. „Sie erhalten einen Netto-Energiegewinn“, sagt die Koautorin der Studie, Elisabeth Bergman, eine vergleichende Physiologin ebenfalls an der University of British Columbia.
Bergman und Kollegen vermuten, dass die Saugkraft von Froschzikaden und anderen Xylemsaftspezialisten bei Tieren unerreicht sein könnte. Es gibt einfach keinen anderen Kontext, in dem Lebensmittel unter so hohem negativem Druck weggesperrt werden, sagt Bergman. “Diese kleinen Käfer sind einfach tolle Saugmaschinen.”