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Warum schlafen Bienen?

20.05.2014

© Walter Kaiser, Journal of Comparative Physiology

Schlafende Honigbiene, nachts in einem Beobachtungsstock fotografiert. Kopf- und Antennenstellung weisen darauf hin, dass die Hals- und Antennenmuskeln entspannt sind — ein wichtiges Schlafzeichen.

Obwohl sie im Ruf stehen, unermüdlich zu arbeiten, legen auch Honigbienen ab und an ein Nickerchen ein. Das hat gute Gründe. Professor Randolf Menzel von der Freien Universität Berlin fanden heraus, dass zwischen dem Schlaf der Honigbiene und ihrem Gedächtnis ein interessanter Zusammenhang besteht.

Menschen und Tiere verbringen einen beträchtlichen Teil ihrer Lebenszeit mit Schlaf. In diesen Phasen werden die Sinnesorgane weitgehend abgeschaltet. Menschen verlieren ihr Wach-Bewusstsein, Tiere reagieren, wenn überhaupt, nur verzögert auf Störungen. Das gilt auch für Insekten: Seit etwa 20 Jahren ist bekannt, dass auch Honigbienen schlafen. Sie schlummern jedoch erheblich weniger als Menschen. Wissenschaftler fanden heraus, dass Bienen etwa ein Drittel der Nacht mit Schlaf verbringen, verteilt auf mehrere Perioden. Während des Tages halten Honigbienen nur ab und zu ein kurzes Nickerchen.

Woran erkennt man, dass eine Biene schläft? Ruhende Bienen haben eine andere Körperhaltung, da die Muskelspannung abnimmt. Sie rühren sich nicht vom Fleck, lassen den Kopf sinken und knicken mit den Beinen ein, der Herzschlag verlangsamt sich. In diesen Phasen reagieren die Tiere kaum auf Störungen. Andere Tiere können über sie hinweglaufen und sie anstoßen, ohne dass eine Reaktion auftritt. Anders als beim Menschen wird die Tiefschlafphase der Biene von einer geringen Atemtätigkeit begleitet. Auf Schlafentzug reagieren Bienen jedoch ähnlich wie menschliche Zeitgenossen. Sie holen den entgangenen Schlaf in der nächsten Ruhephase nach. Diese dauert dann entsprechend länger. Die Brut wird übrigens rund um die Uhr versorgt. Pflegebienen arbeiten auch nachts, um den Nachwuchs mit frischem Futter bei Kräften zu halten. Da es im Bienenstock aber ohnehin rund um die Uhr dunkel ist, spielen diese Nachtschichten für sie vermutlich keine Rolle.

Auszeit für den Körper

Ganz gleich bei welchem Lebewesen – die verzögerte Reaktion kann zu sehr gefährlichen Situationen führen. Daher muss man sich fragen, worin der große Vorteil des Schlafes liegt. Es gibt eine ganze Zahl von Erklärungsansätzen. So wird angenommen, dass Organe und Zellen Erholungspausen brauchen, um ihren Stoffwechsel zu regulieren, schädliche Substanzen zu eliminieren und die Versorgung mit Nährstoffen und Sauerstoff auszugleichen. Eine andere Erklärung wird mit den Vorgängen im Nervensystem und Gehirn in Zusammenhang gebracht. Das Auffällige am Schlaf ist: Das Gehirn wird weitgehend von Sinneseindrücken frei gehalten, und die Motorik ist bis auf kurze ruckartige Bewegungen abgeschaltet. Was könnte der Vorteil für das Gehirn sein, regelmäßig eine beträchtliche Zeit auf sich alleine gestellt zu arbeiten?

Gedächtnisbildung erfolgt im Schlaf

Im Wachzustand wird das Gehirn mit Sinneseindrücken überflutet. Es muss ständig die Aufmerksamkeit auf bestimmte Umweltzustände richten und geeignete Verhaltensweisen entwickeln. Dabei passt es seine Arbeitsweise ständig den Umweltbedingungen an, bewertet Sinneseingänge nach ihrem Nutzen und Schaden, optimiert die Verhaltensprogramme und speichert all diese Erfahrungen im Nervensystem ab. Viele dieser Vorgänge können nicht mit der Geschwindigkeit, mit der sie im Wachzustand ablaufen, im Gehirn gespeichert werden. Das Gedächtnis benötigt Zeit. Es ist seit Langem bekannt, dass Gedächtnisbildung, man nennt dies die Konsolidierung des Gedächtnisses, über mehrere aufeinander folgende und teilweise auch gleichzeitig laufende Vorgänge im Gehirn zustande kommt. Das kann Stunden, manchmal Tage andauern. Die Verschaltungen der Nervenzellen im Gehirn werden dabei so geändert, dass der neue Gedächtnisinhalt mit den bereits gespeicherten verknüpft wird.
 

Die Honigbiene – ein lernfähiges Insekt

Bienen lernen über Erfahrung die Umwelt kennen und passen sich den Veränderungen fortlaufend an. Sie erlernen ihre Stockzugehörigkeit über den speziellen Duft des Stockes und ihrer Stockgenossen, sie erinnern sich an Stellen, an denen im Stock Brut und Nahrung zu finden sind. Bei ihren ersten Ausflügen prägen sie sich die Ansicht des Stockeinganges und seine Lage ein. Vieles andere lernen Bienen im weiteren Verlauf ihres Sammellebens, z.B. welchen zeitabhängigen Gang die Sonne nimmt, wo im Gelände Blüten wachsen, die Nektar und Pollen anbieten, wo sich Wasser- und Harzstellen befinden, wie sie diese wichtigen Substanzen unter dem geringsten Energieeinsatz ernten und eintragen können. Das sind alles nur Beispiele für eine Fülle von weiteren Lernvorgängen. Und natürlich lernen Bienen voneinander, indem sie sich mit dem Schwänzeltanz über reichhaltige Futterstellen oder beim Schwärmen über eine potenzielle Niststelle informieren.

Stabile Verschaltungen brauchen Zeit

Auch Bienen bilden ihr Gedächtnis in mehreren Phasen. Innerhalb weniger Minuten wird das gerade Gelernte im Kurzzeitgedächtnis gespeichert. Diesem Speicher liegen noch keine stabilen Verschaltungen im Gehirn zugrunde. Solche Veränderungen werden erst während der nächsten Stunden (wir sprechen dann von Mittelzeitgedächtnis) und Tagen (Langzeitgedächtnis) erzeugt. Manches von dem, was in diesen Phasen im Gehirn abläuft, ist bekannt – aber bei Weitem nicht alles. Wichtig für den Zusammenhang ist, dass das Gedächtnis genau wie beim Menschen und bei anderen Tieren über molekulare und zelluläre Reaktionswege schrittweise gebildet wird. Auch hier nimmt man an, dass die neuen Gedächtnisinhalte in die bereits vorhandenen eingefügt werden. Erst diese Prozesse führen dann zu stabilen Verschaltungen der Nervenzellen.

Wenig Schlaf — schlechtes Gedächtnis?

Wir haben uns die Frage gestellt, ob die Schlafphasen, die bei Bienen beobachtet werden, mit der Gedächtnisbildung zusammenhängen. Stört man die Bienen während solcher Phasen kräftig, sodass sich der Muskeltonus wieder erhöht und sie sich bewegen, dann zeigen diese Bienen in der darauffolgenden Zeit verlängerte Schlafphasen – ein Phänomen, das für den Schlaf charakteristisch ist. Kürzlich fanden wir auch, dass die Nervenaktivität im Gehirn während dieser Schlafphasen verändert ist. Manche Nervenzellen zeigen geringere und andere eine erhöhte Aktivität.

Die Grafik auf Seite 4 zeigt eine Versuchsanordnung, in der die Tiere einen Duft lernen und in der geprüft werden kann, ob sie sich an den Duft erinnern. Außerdem können wir die Schlafphasen registrieren, die an der Bewegung der Antennen festgestellt werden (Abb. 1). Bewegen sich die Antennen (Wachphase in Grafik S. 2), dann reagieren die Tiere auch auf Duftreize. Werden die Antennen still gehalten und sinken nach unten, reagieren die Tiere auch nicht auf einen Duftreiz (Schlafphasen in Grafik S. 2). In der Schlafphase treten kurze Schleuderbewegungen der Antennen auf. Diese sind sehr charakteristisch für Schlafphasen und erinnern an die schnellen Augenbewegungen, die bei Säugetieren und dem Menschen während des Schlafes auftreten. Ob es für diese Ähnlichkeit einen Grund gibt, wissen wir nicht. In einem solchen Versuch lässt sich die Frage prüfen, ob eine Unterbrechung des Schlafes die Gedächtnisbildung stört.

Einmal kräftig durchgeschüttelt

Dazu hat ein Doktorand in unserer Arbeitsgruppe, Abid Hussaini, folgendes Experiment durchgeführt: Er ließ Bienen einen Duft lernen, indem er einen Duftreiz mit einer Zuckerbelohnung verband (Abb. 2, S. 2). Die Hälfte der so dressierten Tiere durfte in der nächsten Nacht ungestört schlafen, die andere wurde in regelmäßigen Abständen geschüttelt, was die Schlafphasen verhinderte. Dass dieses „Aufwecken“ tatsächlich die Schlafphasen verhindert, konnte er in der nächsten Nacht feststellen: Diese Bienen wiesen verlängerte Schlafphasen auf. Interessanterweise zeigte sich kein Unterschied zwischen den beiden Gruppen von Bienen, wenn am nächsten Tag ihre Erinnerung an den gelernten Duft geprüft wurde. Daraufhin führte Hussaini ein weiteres Experiment durch, bei dem er nach der Duftdressur eine Gruppe von Bienen die Erfahrung machen ließ, dass der Duft nicht mehr belohnt wurde – das nennt man Abdressur. In einem solchen Fall lernen die Bienen, nicht mehr so stark auf den Duft zu reagieren. Konnten die Bienen nun nach der Abdressur ungestört schlafen, dann erinnerten sie sich an die neue Erfahrung häufiger als Bienen, deren Schlaf nach der Abdressur gestört wurde. Hier hat also die Störung des Schlafes die Konsolidierung des Gedächtnisses beeinträchtigt. Wir schließen aus diesen Ergebnissen, dass eine schwache Gedächtnisspur, wie sie nach der Abdressur gebildet wird, durch Schlafstörung an der Verfestigung gehindert wird, während eine starke Gedächtnisspur, wie sie nach der ersten Duftdressur entsteht, trotzdem hinreichend gut gefestigt wird. Hier lassen sich Parallelen zu vergleichbaren Untersuchungen an anderen Tieren finden. Auch bei diesen wirkt sich Schlafentzug vor allem auf schwache Gedächtnisspuren aus.
 

Ergebnisse dienen der Gedächtnisforschung

Sie werden sich vielleicht fragen, warum wir solche Untersuchungen an Bienen machen. Wir möchten verstehen, welche Prozesse im Bienengehirn ablaufen, wenn Gedächtnis konsolidiert wird. Da die molekularen und zellulären Vorgänge bei Bienen in vieler Hinsicht vergleichbar sind zu denen, die bei anderen Tieren und beim Menschen ablaufen, erhoffen wir uns einen Einblick in Vorgänge, die von allgemeiner Bedeutung sind. Natürlich wird es in den weiteren Untersuchungen darum gehen, genauer zu registrieren, was während der Schlafphasen im Gehirn der Biene passiert und wie diese Vorgänge die Gedächtnisbildung unterstützen. Dazu stehen uns verschiedene Methoden zur Verfügung, die uns erlauben, die Gehirnvorgänge zu messen, pharmakologisch zu manipulieren und die Effekte genau zu erfassen. Wir wissen bereits, dass die Gehirnaktivität sich während der Schlafphasen verändert. Nun suchen wir nach Indizien dafür, dass diese Veränderung etwas mit dem Aufrufen und Verfestigen des am Tage Gelernten zu tun hat. Außerdem interessieren wir uns dafür, ob auch im normalen Stockleben die Schlafphasen mit dem natürlichen Lernen zusammenhängen, etwa mit der Aufgabe, die ersten Orientierungsflüge durchzuführen und erfolgreich zum Stock zurückzukommen.

Prof. Dr. Randolf Menzel

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