Im ostafrikanischen Malawisee vollziehen Milliarden winziger Insektenlarven jeden Tag eine Wanderung, die nach den Regeln der Physiologie nicht funktionieren dürfte. Tagsüber sinken sie mehr als 200 Meter tief in eine Wasserschicht ohne Sauerstoff, nachts steigen sie zum Fressen wieder auf. Insekten atmen über luftgefüllte Röhren, und genau diese müssten unter einem solchen Druck kollabieren. Eine neue Untersuchung zeigt nun, womit die Tiere den Abstieg überstehen, und stellt damit eine der ältesten Erklärungen der Tiergeografie infrage.
Der Malawisee im Osten Afrikas gehört zu den tiefsten Seen der Welt, im Mittel misst er rund 292 Meter, an der tiefsten Stelle etwa 706 Meter. In seinem Wasser leben die Larven der Seefliege Chaoborus edulis, durchsichtige Tiere von wenigen Millimetern Länge, die in Schwärmen von solcher Dichte auftreten, dass sie über der Wasseroberfläche als dunkle Säulen erscheinen. Diese Insektenlarven folgen einem strengen Tagesrhythmus. Bei Sonnenaufgang sinken sie in die Tiefe, bei Einbruch der Dunkelheit kehren sie in die oberen Wasserschichten zurück und fressen dort Zooplankton. Fachleute nennen dieses Pendeln Vertikalwanderung, und im offenen Wasser zählt es zu den häufigsten Verhaltensweisen überhaupt. Ungewöhnlich ist nicht die Wanderung selbst, sondern wer sie hier ausführt, denn Insekten atmen über ein System luftgefüllter Röhren, das Tracheensystem, und Luft lässt sich zusammendrücken.
Genau daraus ergibt sich ein Widerspruch, der weit über einen einzelnen See hinausreicht. Wasserinsekten haben nahezu jeden Süßwasserlebensraum besiedelt und stellen mehr als 60 Prozent aller Tierarten im Süßwasser, doch im offenen Ozean fehlen sie praktisch vollständig. Die gängige Erklärung dafür lautet seit Langem, dass ihr luftgefülltes Atemsystem dem Druck der Tiefe nicht standhält und implodieren würde, sobald die Tiere weit genug absinken, um Fischen auszuweichen. Wer diese Annahme prüfen will, braucht ein Tier, das genau das trotzdem tut. Die Larven aus dem Malawisee sind ein solcher Fall, und ihre Erforschung reiht sich in eine Reihe von Arbeiten ein, die scheinbar simplen Insekten überraschend feine Steuerungsmechanismen nachweisen, etwa wenn Taubenschwänzchen ihren Rüssel bevorzugt zu einer Seite strecken und damit Rechenaufwand im Nervensystem sparen.
Um die Wanderung überhaupt zu vermessen, verankerte das Team ein Sonarsystem am Grund des Sees und verfolgte damit, wie sich die Larvenschwärme über den Tagesverlauf durch die Wassersäule verschieben. Die Messdaten zur Tauchtiefe der Larven belegen diesen Rhythmus über viele Zyklen hinweg und zeigen, wie präzise die Tiere ihre Tiefe halten. Chaoborus edulis sinkt tagsüber regelmäßig unter 200 Meter, in eine Schicht, die dauerhaft frei von Sauerstoff ist. Für die meisten Tiere ist dieser Bereich unbewohnbar, und genau darin liegt sein Vorteil, denn die Fische des Sees folgen den Larven dort nicht. Die Tiere zahlen dafür einen hohen Preis, weil sie ihren Stoffwechsel auf anaerobe Prozesse umstellen und Sauerstoff, solange er verfügbar ist, über die Körperoberfläche aufnehmen statt über das Atemsystem.
Die Erklärung steckt in einem Bauteil, das bei anderen Insekten der Atmung dient. Chaoborus-Larven haben zwei Paar ihrer Tracheen zu geschlossenen Luftsäcken umgebaut und nutzen sie nicht mehr zum Atmen, sondern als Ballasttanks. Indem die Tiere das Volumen dieser Luftsäcke verändern, regeln sie ihren Auftrieb und halten jede gewünschte Tiefe, ohne dafür schwimmen zu müssen. Auffällig ist die Form. Bei den Larven aus dem Malawisee sind die Säcke deutlich gekrümmt, fast wie eine Banane, während verwandte Arten aus flachen Tümpeln gerade und anders proportionierte Säcke besitzen. Diese flachen Verwandten, die das Team unter anderem in Teichen auf dem eigenen Universitätsgelände untersuchte, kommen nur rund zehn Meter tief. Der Unterschied in der Tauchleistung beträgt damit etwa den Faktor zwanzig, obwohl es sich um nah verwandte Insektenlarven handelt.
Verstellt wird das Volumen über die Chemie der Wand. In ihr sitzen Ringe aus Resilin, einem gummiartigen Protein, eingefasst in feste Kutikula. Verändert die Larve den pH-Wert dieser Wand, quillt das Resilin auf oder zieht sich zusammen, und der Sack dehnt sich wie ein Akkordeon oder schrumpft. Damit steuern die Insektenlarven ihren Auftrieb chemisch statt mechanisch, ohne Muskeln und ohne Energieaufwand für dauerndes Schwimmen. Wie viel Wasserdruck diese Konstruktion tatsächlich verträgt, prüfte das Team in kleinen Druckkammern, in denen es die Bedingungen der Tiefe nachstellte. Die Beschreibung der Druckkammerversuche nennt die dabei gemessene Reserve als entscheidenden Punkt, denn die Säcke der größten Larven hielten Drücken stand, die einer Wassersäule von rund 400 Metern entsprechen, also fast dem Doppelten des Alltagsbedarfs.
Damit gerät die klassische Erklärung ins Wanken. Wenn ein luftgefülltes Atemsystem so umgebaut werden kann, dass es dem Wasserdruck in mehreren hundert Metern standhält, dann kann der Druck allein nicht der Grund sein, warum Insekten den offenen Ozean nie besiedelt haben. Als Ursachen kommen eher die Konkurrenz durch Krebstiere in Betracht, die diese Nische seit Langem besetzen, dazu die Bindung vieler Arten an Ufer und Substrat für die Eiablage sowie der Salzgehalt. Der offene Ozean bleibt ein Lebensraum, dessen Regeln nur teilweise verstanden sind, ähnlich wie bei Beobachtungen, in denen zwei Orcas einen Mondfisch in tausende Fragmente zerlegen und damit ein vermeintlich bekanntes Jagdverhalten neu einordnen. Über die Biologie hinaus interessiert der Befund die Materialforschung, weil ein pH-gesteuertes Bauteil aus Resilin als Vorbild für künstliche Muskeln dienen könnte, die sich auf ein chemisches Signal hin bewegen.
Science, Crush-resistant air sacs allow insect larvae to exploit aquatic habitats at extreme depth; doi:10.1126/science.aed0667