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Im Verlauf eines Jahres vollzieht der Eichenprozessionsspinner seinen Entwicklungszyklus vom Ei über insgesamt sechs Raupenstadien, der Puppe bis hin zum erwachsenen Nachtfalter.
Nach dem sogenannten Hochzeitsflug legt das Weibchen im Spätsommer unmittelbar nach der Paarung etwa einhundert bis zweihundert Eier von etwa einem Millimeter Größe in den Baumkronen der Eichen ab. Das Eigelege wird dann mit einem schuppenähnlichen Drüsensekret in braun-grauer Farbe getarnt und so zur Überwinterung vorbereitet.
Mit Erwachen der Vegetation im April/Mai und Austrieb der Eichenblätter schlüpfen die Eichenprozessionsspinnerraupen. Die Jungraupen der Prozessionsspinner besitzen zunächst eine braun-gelbe Färbung, die sich mit zunehmender Zeit in grau-schwarz umwandelt. Die Raupen absolvieren auf ihrem Weg zur Verpuppung insgesamt 6 Larvenstadien in einem Zeitraum von insgesamt 9-12 Wochen. Die Eichenprozessionsspinnerraupen besitzen im ersten und zweiten Larvenstadium noch keine giftigen Brennhaare. Diese werden erst in der dritten Entwicklungsphase ausgebildet. Zu diesem Zeitpunkt besitzen die Raupen zweierlei Arten von Haaren: Zum einen längere, in Bündeln aus den Warzen herausstehende Raupenhaare ohne giftige Wirkung auf den Menschen. Zum anderen kürzere Brennhaare auf den achtgliedrigen Hinterleibssegmenten, die sich bei Bedrohung aufwölben und die etwa 0,1 bis 0,2 mm dünnen Gifthaare absondern. Voll ausgebildete Eichenprozessionsspinnerraupen besitzen ca. eine halbe Million giftiger Brennhaare.
Ab Juni bauen Eichenprozessionsspinner-Raupen ihre typischen Gespinstnester in Astgabeln und an Eichenstämmen. Die Nester dienen den Eichenprozessionsspinnerraupen zur Häutung. Mit Kot und alten Larvenhäuten gefüllt erreichen die Raupennester der Eichenprozessionsspinner eine Größe von bis zu 1,5 Metern. Aus den Gespinstnestern wandern die Prozessionsspinner nachts in mehreren Reihen (15-30 Raupen) von bis zu zehn Metern Gesamtlänge kolonnenartig in die Baumkrone zur Nahrungsaufnahme und kehren im Morgengrauen in die Nester zurück.
Ende Juni/Anfang Juli beginnt die Verpuppung der Eichenprozessionsspinnerraupen in den Gespinstnestern, die etwa 20 bis 35 Tage andauert. Die ovalförmigen Kokons sind dabei dicht aneinander gebaut, die Gifthaare werden während des Verpuppungsprozesses zwar abgestoßen, jedoch in die Kokons mit eingewoben. Aus diesem Grund bleiben die Nester der Eichenprozessionsspinner als massive Gebilde aus Kotrückständen, Häutungshüllen und Spinnfäden noch zum Teil nach Jahren gefährlich.
Ab etwa Mitte August erfolgt der Schlupf der Eichenprozessionsspinner als nachtaktive Falter. Es handelt sich um eher unscheinbare, braun-graue Schmetterlinge, die in den Monaten August bis September umherfliegen. Die Farbe der vorderen Flügel ist grau bis grau-braun mit quergestreifter Zeichnung. Die hinteren Flügel sind beim männlichen Prozessionsspinner weiß mit grauem Querstreifen sowie einem dunklen Fleck, beim Weibchen braungrau. Die Spannweite seiner grauen, quergestreiften Flügel beträgt ca. 2,4 bis 3,4 cm.