Neue Fortschritte in der Angiospermenforschung! Chinesische Wissenschaftler entdecken älteste fossile Beweise

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Xin (Nanjing Institut für Geologie und Paläontologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

Mit mindestens 300.000 Arten sind die Angiospermen heute die vielfältigste Gruppe der Welt. Wir Menschen sind in hohem Maße auf Angiospermen angewiesen, was unsere Nahrung, Kleidung, Unterkunft, Fortbewegung und medizinische Versorgung betrifft. Beispielsweise sind die meisten Grundnahrungsmittel und Gemüsesorten, die wir täglich essen, Angiospermen. Tatsächlich waren Angiospermen bereits Millionen Jahre vor der Entstehung des Menschen ein unverzichtbarer und wichtiger Bestandteil des Ökosystems der Erde.

Klassifizierung von Angiospermen

(Bildquelle: Nature)

Die komplexe Beziehung zwischen Angiospermen und Insekten

Aufgrund der Vielfalt und Bedeutung der Angiospermen haben sich im Laufe der langen Evolution zwischen Angiospermen und Tieren (einschließlich Insekten und Menschen) komplexe interaktive Beziehungen entwickelt.

Insekten, die sich zusammen mit den Angiospermen entwickelt und aufgewachsen sind, stellen in der biologischen Welt ebenfalls eine Gruppe mit extrem hoher Diversität dar. Im Laufe der langen Evolution haben sie eine untrennbare ökologische Beziehung zu den Angiospermen aufgebaut. Einige Insekten haben sogar eine Eins-zu-eins-Entsprechung einer gutartigen Interaktionsbeziehung mit bestimmten Gruppen von Angiospermen aufgebaut, die sowohl für Insekten als auch für Angiospermen von Vorteil ist.

Man sollte jedoch beachten, dass es sich bei der Beziehung zwischen den meisten Insekten und Angiospermen um eine Nahrungsbeziehung handelt. Dazu gehören nicht nur Situationen, in denen sich Insekten von Pflanzenblättern (oder anderen Geweben) ernähren, sondern auch Situationen, in denen Pflanzen Insekten fangen und fressen (letztere Situation ist natürlich relativ selten).

Insekten ernähren sich hauptsächlich von den Blättern der Pflanzen. Dieses weit verbreitete Verhalten ist eine Katastrophe für die landwirtschaftliche Produktion. Der Mensch wird in die Nahrungsbeziehung zwischen Insekten und Nutzpflanzen eingreifen, indem er Pestizide versprüht, um zu verhindern, dass das Verhalten der Insekten den menschlichen Interessen schadet.

In modernen Ökosystemen verfügen Angiospermen nicht über wirksame Abwehr- und Widerstandsmechanismen gegen bestimmte Insektenarten und werden daher häufig von mehr als einer Insektenart angegriffen. Angesichts der Existenz von Hunderttausenden Insektenarten auf der Welt ist es „natürlich“, dass moderne Angiospermen unter zahlreichen Schädlingen leiden, was die Komplexität moderner Ökosysteme widerspiegelt.

Von Insekten gebissene Blätter

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Dies ist jedoch nur der aktuelle Zustand, nicht der dauerhafte Zustand. Bei meiner Forschung zur Paläoökologie habe ich festgestellt, dass sich die Interaktion zwischen urzeitlichen Pflanzen und heutigen Tieren im Laufe der Erdgeschichte ständig verändert hat.

Komplexe Zusammenhänge anhand eines einzigen Fossils enthüllt

In jüngster Zeit wurden in der paläoökologischen Forschung an fossilen Pflanzen viele interessante Fortschritte erzielt. Im Holz des Perms finden sich Kot und Nagespuren von Insekten, auf vielen fossilen Blättern aus dem Mesozoikum wurden Nagespuren von Insekten gefunden und Pflanzen aus dem Känozoikum (insbesondere Angiospermen) werden häufig von Insekten befallen... Generell ist die Interaktion zwischen Angiospermen und Insekten im Laufe der Zeit häufiger und komplexer geworden.

Ein Zeichen für die Komplexität dieses ökologischen Zusammenhangs ist die Vielfalt der Fraßspuren der Insekten. Die frühesten Blattfossilien der Angiospermen wurden oft von der gleichen Insektenart befallen, sodass es nur eine Art von Nagespur gibt. Heutzutage kann eine Pflanze jedoch von mehreren Insekten befallen werden und ein einzelnes Insekt kann verschiedene Pflanzen fressen. Diese ökologische Beziehung vom Einfachen zum Komplexen ist ein evolutionärer Prozess.

Wie können der Verlauf und das Ausmaß der Komplexität dieser ökologischen Beziehung bestätigt werden? Wann begann dieser Komplikationsprozess? Obwohl Menschen Beweise aus verschiedenen Aspekten nutzen können, um Schlussfolgerungen zu ziehen, sind Fossilien die letzte Informationsquelle, die schlüssig sein kann. Daher ist die Suche nach entsprechenden fossilen Beweisen eine wichtige Aufgabe für Paläobotaniker.

Im Juli 2019 erhielten Professor Han Gang von der Hainan Tropical Ocean University und Professor Zhang Lijun vom Shenyang Geological Survey Center des China Geological Survey über Freunde mehrere Pflanzenfossilien vom Arong Banner, Hulunbuir League, Innere Mongolei.

Professor Han Gang und ich hatten schon lange zuvor bei der Forschung zusammengearbeitet und er nahm Kontakt mit mir auf, sobald er die Fossilien erhielt. Unter den Fossilien befand sich ein großes Blatt mit Spuren von Insektenstichen.

Mir wurde klar, dass dieses Fossil eine potenzielle ökologische Bedeutung hatte, also kontaktierte ich Professor Han Gang, um das Fossil zur weiteren Beobachtung und Forschung an das Nanjing Institute of Geology and Paleontology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zu schicken. Die Fossilien wurden mir Anfang August zugeschickt. Wie erwartet bestätigte sich durch sorgfältige Beobachtung mein anfängliches Urteil: Gemäß der internationalen Klassifikation von Insektennagespuren lassen sich auf diesem Blattfossil, das weniger als 10 cm lang und 5 cm breit ist, drei verschiedene Arten von Insektenbissspuren feststellen!

Versteinerte Blätter der Familie Platanaceae aus der Oberkreidezeit vor 80 Millionen Jahren

(Bildquelle: Referenz 1)

Beziehungsentwicklung seit der späten Kreidezeit

Offensichtlich handelt es sich hierbei um eine Entdeckung mit hohem akademischen Wert. Um weitere Forschungen durchzuführen, beschloss ich, so bald wie möglich eine Felduntersuchung mit den Professoren Han Gang und Zhang Lijun zu vereinbaren, um die stratigraphischen Informationen der Fossilien zu bestimmen. Ende Oktober kamen wir auf der Ganhe Farm im Arong Banner, Hulunbuir League, an. In der Geologie wird dieses Gebiet als Dayangshu-Becken bezeichnet und frühere Forscher haben bereits einige stratigraphische Studien durchgeführt.

Die Gesteinsschicht, in der wir die Fossilien entdeckt haben, gehört zur Nenjiang-Formation der späten Kreidezeit. Diese Schlussfolgerung wurde durch unsere anschließende Isotopen-Datierungsforschung und die Forschungsergebnisse des Forschers Li Gang vom Nanjing Institute of Geology and Paleontology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zu den zugehörigen Muschelfossilien mit Gliedmaßen gestützt.

Nachdem wir das stratigraphische Alter bestätigt hatten, beschlossen wir vorsichtshalber, Dr. Wang Hongshan zu konsultieren, einen Kurator des Florida Museum, der sich seit langem mit der Erforschung von Blattfossilien beschäftigt. Dr. Wang war sehr engagiert und hat uns bei unserer Arbeit eine wichtige Hilfestellung geleistet.

Aufgrund vorläufiger Untersuchungen gehen wir davon aus, dass das Fossil den Blättern von Arthollia am ähnlichsten ist, einer Pflanze aus der Familie der Platanaceae, die in der Oberkreide im Nordosten der ehemaligen Sowjetunion entdeckt wurde. Dieses Ergebnis ist nicht überraschend: Die beiden Regionen liegen geografisch nicht weit voneinander entfernt.

Die erste Art von Bissspur am Blatt: Das Blattgewebe auf beiden Seiten der Hauptader ist vollständig weggefressen

(Bildquelle: Referenz 1)

Die Familie der Platanaceae ist die größte Gruppe der Angiospermen, die basale Gruppe der Eudikotyledonen. Obwohl die Vielfalt dieser Pflanze heute nicht sehr groß ist, waren die Platanaceae-Pflanzen in der Kreidezeit sehr reichhaltig und vielfältig. Sie waren einst in der nördlichen Hemisphäre weit verbreitet und stellten in einigen Schichten der Dakota-Flora in den Vereinigten Staaten sogar die dominierende Gruppe dar. Daher ist das Auftreten von Blättern der Platanaceae-Pflanzen im Big Poplar Basin vernünftig.

Um die Genauigkeit unserer Identifizierung sicherzustellen, haben wir die Fossilien auch mit Blättern moderner Platanaceae-Pflanzen verglichen. Während dieses Prozesses leistete uns Dong Xiaoyu vom Herbarium des Botanischen Gartens Nanjing Sun Yat-sen wertvolle Hilfe.

Die zweite Art von Bissspuren auf Blättern: Das Blattgewebe zwischen den Adern ist vollständig weggefressen

(Bildquelle: Referenz 1)

In der heutigen Welt ist die Insektenvielfalt extrem hoch; es gibt Hunderttausende Arten, die ausgestorbenen Arten nicht mitgerechnet. Verschiedene Insekten haben unterschiedliche Mundwerkzeuge und Fressmethoden, die unterschiedliche Bissspuren auf den Blättern der Pflanzen hinterlassen. Für die Durchführung dieser Studie haben wir mit dem Experten für Insektenfossilien Zhang Haichun vom Nanjing Institute of Geology and Paleontology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zusammengearbeitet. Die drei Arten von Bissspuren, die wir an den Fossilien fanden, belegen, dass sich mindestens drei verschiedene Insekten von den Blättern der Platanaceae-Pflanzen ernährten.

Die dritte Art von Bissspuren auf Blättern: Der Blattrand ist weggefressen

(Bildquelle: Referenz 1)

In früheren Berichten kam es häufig vor, dass Blätter von Angiospermen gefressen wurden. Im Allgemeinen sind auf einem Blatt jedoch nur die Bissspuren einer Insektenart zu finden, was in der Ökologie eine relativ einfache Beziehung in der Nahrungskette darstellt.

Allerdings überschneiden sich die Nahrungsketten in modernen Ökosystemen zu komplexen Nahrungsnetzen, und früher gab es kaum oder gar keine fossilen Belege für den Ursprung und die Geschichte solcher Nahrungsnetze. Es kommt äußerst selten vor, dass man auf demselben fossilen Blatt Bissspuren von drei Insektenarten findet.

Die vorliegenden Fossilien stammen aus der Oberkreidezeit vor 80 Millionen Jahren. Es handelt sich dabei um die bislang ältesten relevanten Fossilienfunde, was darauf schließen lässt, dass das mit den Angiospermen verbundene Ökosystem bereits in der Oberkreidezeit begonnen hatte, in Richtung Neuzeit komplexer zu werden.

Abschluss

Die Wechselwirkungen zwischen heutigen Angiospermen und Insekten bilden ein komplexes Nahrungsnetz. Dieses Nahrungsnetz scheint vor mindestens 80 Millionen Jahren, während der späten Kreidezeit, entstanden zu sein. Unsere Ergebnisse liefern hierfür Belege. Doch darüber, ob es eine frühere Geschichte gab und wie sich das Nahrungsnetz seitdem entwickelt hat, wissen wir nur sehr wenig. Wir hoffen, dass zukünftige Forschungen diesbezüglich mehr Wahrheit ans Licht bringen werden.

Hinweis: Der Autor dieses Artikels ist Forscher am Nanjing Institute of Geology and Paleontology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Er beschäftigt sich seit langem mit der Erforschung der Entstehung und Evolution der Angiospermen. Auf der Grundlage von in China gefundenen Fossilien hat er zahlreiche Fortpflanzungsorgane von Angiospermen vor der Kreidezeit entdeckt und veröffentlicht (darunter die Schweinefrucht aus der Jurazeit, die Nanjing-Blume, Pans Echte Blume usw. und die Taiyuan-Ähre aus dem Perm). Zu den Interessen des Autors zählen außerdem zytoplasmatische Fossilien und die Primzahlforschung.

Quellen:

1.Gang Han, Haichun Zhang, Lijun Zhang, Lingji Li und Xin Wang. Das erste Anzeichen für eine Komplikation des mit Angiospermen verbundenen Ökosystems. Sci J Biol & Life Sci. 3(5): 2024. SJBLS.MS.ID.000571. DOI: 10.33552/SJBLS.2024.03.000571