Doppelt hält besser: Das ungewöhnliche Sexleben der Eintagsfliegen

• Ein Leben, das auf seinen letzten Tag hinausläuft
• „Schwarm-Kamasutra“: Ein akrobatisches Paarungsritual in der Luft
• Insekten im Computertomographen
• Genitalzange und Doppelpenis mit ausfahrbaren Sex-Stacheln
• Verankern, dehnen, befruchten
• Und dann? Befruchtung, Eiablage, Ende.
• Veröffentlichung Originalpublikation

Ein Leben, das auf seinen letzten Tag hinausläuft

Eine Eintagsfliege verbringt den Großteil ihres Lebens als Larve im Süßwasser, je nach Art sind das Monate bis mehrere Jahre. Das letzte Larvenstadium ist bereits vollständig auf den finalen Lebensabschnitt als geflügeltes Insekt ausgerichtet: Die Nahrungsaufnahme wird eingestellt, die Weibchen legen bereits Eivorräte an und die Flügel vollenden ihr Wachstum.

Ist sie zum adulten Tier gehäutet (Bild 1), gibt es nur noch eine Aufgabe: Die Fortpflanzung. Essen ist nicht mehr drin, wortwörtlich. Die Mundwerkzeuge sind zurückgebildet und der Darm ist an den Enden verschlossen. Er ist zu einem luftgefüllten Ballon umfunktioniert, der Gewicht spart und gleichzeitig den Hinterleib versteift. Jetzt tickt die Uhr ...

„Schwarm-Kamasutra“: Ein akrobatisches Paarungsritual in der Luft

Wenn die Bedingungen passen, oft in windstillen Abendstunden und am liebsten nach einem Regenschauer, beginnen die Männchen über Gewässern zu schwärmen, um damit die Weibchen anzulocken. Wenn ein Weibchen in den Schwarm einfliegt, erfolgt sofort die Paarung im Flug.

Dabei nähert sich ein Männchen dem Weibchen von unten und greift mit eigens dafür verlängerten Vorderbeinen um die Flügelwurzeln des Weibchens. Zudem biegt das Männchen seinen Hinterleib um fast 180° nach vorne oben um und klammert sich mit spezialisierten Genitalfüßen am Weibchen fest (Bild 2). So akrobatisch am Weibchen verankert, erfolgt nun die eigentliche Paarung.

Im Gegensatz zu den basalen Ur-Insekten, die noch Spermatophoren ablegen, welche von den Weibchen aufgenommen werden, sind Eintagsfliegen als evolutionär ältester Ast der Fluginsekten praktisch die Erfinder einer direkten Paarung mit innerer Befruchtung. Wer also verstehen will, wie sich komplexe Genitalien und ihre Funktionen bei Fluginsekten entwickelt haben, sollte daher bei den Eintagsfliegen nachschauen.

Insekten im Computertomographen

Dass man bisher fast nichts über die Paarung bei Eintagsfliegen wusste, hat seinen Grund: Eine Kopula dauert nicht lange, und sie findet auch nicht bequem auf einem Blatt statt, sondern hoch in der Luft. Doch wie bekommt man ein Pärchen beim Sex in luftiger Höhe zur Untersuchung in den Computertomographen? Wir versuchten unser Glück im Schwarzwald und machten uns auf die Suche nach dem Aderhaft Ecdyonurus venosus. Um ein kopulierendes Paar überhaupt einzufangen, brauchte es zunächst einen Kescher mit langem Stiel – 2,5 Meter haben sich bewährt. Und selbst dann scheiterten wir oft, weil die Tiere auf die Störung wenig romantisch reagierten: Die meisten Paare trennten sich sofort.

Ließen sie sich beim Sex jedoch nicht stören, wurde eine Methode aus der Sportmedizin angewandt: Mit Vereisungsspray wurde der Moment der Paarung buchstäblich eingefroren (Bild 3). So schockgefrostet konnten die Tiere noch in Kopulationsstellung schonend in eine spezielle Fixierlösung überführt und letztlich in reinem Alkohol gelagert werden. 

Für die eigentliche Analyse der inneren Vorgänge bei der Paarung nutzten wir die Methode der Synchrotron-Röntgen-Mikrotomographie (µCT) am Teilchenbeschleuniger des Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Das Synchrotron produziert eine sehr gleichmäßige, energiereiche Röntgenstrahlung, unter der das Präparat durchleuchtet und dabei schrittweise gedreht wird. Aus über 1000 einzelnen Aufnahmen kann dann am Computer ein 3D-Modell rekonstruiert werden. Vom Prinzip her ist das also nichts anderes wie ein CT im Krankenhaus – nur mit deutlich höherer Auflösung, bei der selbst mikrometergroße Strukturen sichtbar werden. Der Vorteil: Man kann digital sezieren und 3D-Modelle erstellen, ohne die Tiere dabei zu zerstören.

Genitalzange und Doppelpenis mit ausfahrbaren Sex-Stacheln

Männliche Tiere sind mit einem doppelten Penis ausgestattet, der sich auf der Unterseite des neunten Hinterleibssegmentes befindet: Einem gemeinsamen Schaft entspringen zwei getrennte Penislappen, die jeweils mit einer Geschlechtsöffnung versehen sind. Dazwischen befinden sich zwei Stacheln, von denen im Ruhezustand nur die Spitzen sichtbar sind und die eine bisher unbekannte Rolle bei der Paarung spielen. Seitlich des Doppelpenis befinden sich zudem zangenartige Genitalfüße, die an der Basis verschmolzen sind (Bild 4). Mit diesem Apparat ist es dem Männchen möglich, sich während der Paarung am Weibchen festzuhalten.

Bei den Weibchen ist von außen bis auf die häutige, raue Subgenitalplatte wenig zu sehen (Bild 5). Diese bedeckt eine nach hinten offene Paarungstasche, in welche die paarigen Eileiter getrennt einmünden.

Verankern, dehnen, befruchten

Wenn man nun die Geschlechtsorgane während der Paarung im µCT betrachtet, wird deutlich, dass der Penis seine Form verändert hat (Bild 6): Kräftige Penismuskeln bewirken eine Verformung des Penisschafts, was dazu führt, dass die Penislappen umklappen, die Penisstacheln ausgefahren werden und diese sich in die dünne Membran der Paarungstasche bohren (Bild 7). Dadurch wird die Paarungstasche gedehnt und kann nun viel Sperma aufnehmen, das in einer faltigen Membran vorne in der Paarungstasche gespeichert wird.

Zudem wird der Penis durch die Penisstacheln gut in der Paarungstasche verankert, was auch dessen Herausrutschen bei Flugmanövern verhindert. Da andere Männchen oft versuchen, die Paarung zu stören und einander die Weibchen abzujagen, macht sich eine gute Verankerung umso mehr bezahlt.

Und dann? Befruchtung, Eiablage, Ende.

Nach der Paarung trennen sich die Tiere. Ob sie sich mehrfach paaren, ist nicht untersucht; der Schwarmflug ist jedenfalls so energieintensiv, dass die Männchen kurz danach sterben.

Die Weibchen fliegen nach der Befruchtung noch eine Strecke flussaufwärts, um dann ihre befruchteten Eier abzulegen, indem sie ihren Hinterleib wiederholt auf die Wasseroberfläche aufsetzen. Wir konnten beobachten, dass der Hinterleib dabei nach oben gekrümmt ist und der Kontakt zur Wasseroberfläche wohl auf die Subgenitalplatte beschränkt bleibt. Diese ist dicht mit Härchen besetzt, die das Benetzen des Weibchens verhindern, so dass es nicht am Wasser haften bleibt und problemlos wieder durchstarten kann. Wenn dann schließlich alle Eier abgelegt sind, sterben auch die Weibchen und treiben auf dem Wasser davon, bis sich die Fische über die Überreste des Hochzeitsfluges hermachen.