Blumen und Bienen passen perfekt zusammen. Welche Werkzeuge verwenden sie zum Sammeln von Nektar?

Eine Biene landet auf einer Blume, um Nektar zu sammeln (Foto/Wei Jiangkun, Wu Jianing)

Woran denken Sie, wenn Sie an Bienen denken? Summende Geräusche und süßer Honig?

Welche „Werkzeuge“ verwenden Bienen also zum Sammeln von Honig?

Die Schnabel-Mundwerkzeuge der Biene bestehen aus einem Paar äußerer Oberkiefer und einem Paar Lippenpalpen, die eine röhrenförmige Struktur bilden, die eine geschickte mittlere Lippenzunge enthält. Auf der Mittellippe befinden sich Tausende von Borsten, die schnell ausgefahren oder in den Schnabelkanal zurückgezogen werden können, um in klebrigen Nektar einzutauchen.

Bienenmundwerkzeuge (Foto/Wei Jiangkun)

Diese winzige Struktur muss sich im Laufe des Lebens einer Biene Millionen Mal hin und her zusammenziehen, während sie den Nektar in verschiedenen Blumen erkundet. Ein Teil dieser flüssigen Nahrung, die voller Energie und Nährstoffe steckt, wird in winzigen röhrenförmigen Blütenkronen gespeichert, während ein anderer Teil offen und der Luft ausgesetzt ist.

Der Nektar verschiedener Pflanzen hat einen unterschiedlichen Zuckergehalt und eine unterschiedliche Viskosität. Oft ist der süßeste und energiereichste Nektar auch der dickste und für Insekten am schwierigsten zu sammeln. Bienen können mit ihrer haarigen Zunge in der Mitte der Schamlippen leicht in den hochviskosen Nektar eintauchen. Gleichzeitig können sie die Steuerungsmethode ihrer Mundwerkzeuge auch aktiv ändern und mit ihrem Schnabel Nektar direkt aus der Tiefe der Blütenkrone saugen. Diese Methode ist für den Transport niedrigviskoser Flüssigkeiten über größere Entfernungen effizienter.

Die spezialisierte Mundwerkzeugstruktur und die Ernährungsstrategie der Bienen haben sich im Laufe von Hunderten von Millionen Jahren der Koevolution mit Pflanzen allmählich entwickelt. Eine kürzlich in PNAS veröffentlichte Studie enthüllte die Geheimnisse der Honigsammlung der Bienen.

Blumen unterschiedlicher Formen sammeln Nektar auf unterschiedliche Weise. Bildquelle: Wikipedia

Bestäuber und Angiospermen: Ich gebe dir Nektar und hilf mir bei der Bestäubung!

Pflanzen sondern Nektar für ihre eigenen Fortpflanzungsbedürfnisse ab.

Bei älteren Pflanzen (wie den meisten Farnen und Nacktsamern) wurde die Fortpflanzung hauptsächlich durch den Wind angetrieben. Während der Brutzeit verteilen sich die Sporen der Farne und der Pollen der Nacktsamer in der Luft und werden vom Wind getragen.

Kiefern geben Pollen in die Luft ab. Bildquelle: Wikipedia

Aber die Angiospermen (Blütenpflanzen) haben eine vielfältigere Art der Bestäubung „entwickelt“ – durch Tiere.

Die Nektarien der Blüten können energie- und nährstoffreichen Nektar absondern und so verschiedene Tiere wie Bienen, Schmetterlinge, Motten, Käfer, Fliegen, Fledermäuse usw. anlocken, die sich ihnen nähern und von ihnen fressen (Fliegen sind außerdem bestäubende Insekten). Bei der Nektaraufnahme kommen die Tiere mit an den Pflanzen haftendem Pollen in Kontakt und verbreiten diesen bei der darauffolgenden Fortbewegung auf andere Blüten, womit die Bestäubung abgeschlossen ist. Um eine möglichst effiziente Bestäubung zu gewährleisten, haben verschiedene Arten der Angiospermen im Laufe von Milliarden von Jahren unterschiedliche Blütenstrukturen und Nektare mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften entwickelt.

Für nektarfressende Insekten ist Nektar eine sehr wertvolle Energie- und Nährstoffquelle, um die in der Natur häufig verschiedene Bestäuberarten konkurrieren. Um die Effizienz der Nektarsammlung zu verbessern und Konkurrenz zu vermeiden, haben die Mundwerkzeuge nektarfressender Insekten verschiedene Spezialisierungen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, mit unterschiedlichen Methoden Nektar aus der Blütenkrone zu sammeln. So ähneln beispielsweise die Mundwerkzeuge von Schmetterlingen einem langen, dünnen Strohhalm, die Mundwerkzeuge von Nektarameisen kurzen Lippen und die Mundwerkzeuge mancher Nektarkäfer borstigen Bürsten.

Verschiedene nektarfressende Insekten haben unterschiedliche Mundwerkzeuge (Bildquelle: Wikipedia)

Das Geheimnis der Biene-Blume-Beziehung

Bestäuber sind nicht nur für die Fortpflanzung der Angiospermen von entscheidender Bedeutung, sondern spielen auch in unserem menschlichen Leben eine entscheidende Rolle. Ein Drittel des Obstes und Gemüses, das wir essen, ist auf die Bestäubung durch bestäubende Insekten angewiesen. Bienen erbringen die weltweit wichtigsten Bestäubungsdienste, die einen äußerst wichtigen ökologischen und wirtschaftlichen Wert haben.

Daher ist die weit verbreitete westliche Honigbiene (Apis mellifera) aus der Familie der Apidae neben Menschen, Mäusen und Fruchtfliegen eines der am meisten vom Menschen erforschten Tiere geworden. Ihr interaktives Verhalten und ihre ökologische Beziehung zu Pflanzen wurden ausführlich untersucht, beispielsweise die Beziehung zwischen der Rüssellänge der Biene und der Tiefe der Blütenkrone, die der Nektaraufnahme entspricht.

Die westliche Honigbiene ist derzeit die am weitesten verbreitete vom Menschen gezüchtete Biene. Bildquelle: Wikipedia

Zusätzlich zu Vergleichen auf Längenskalen haben Forscher in den letzten Jahren begonnen, sich auf die exquisite Struktur und geschickte Handhabung der Mundwerkzeuge von Bienen zu konzentrieren. Sie haben die dynamischen Prozesse und physikalischen Mechanismen der mikroskopischen Struktur der Mundwerkzeuge von Bienen beim Sammeln von klebrigem Nektar eingehend erforscht und anhand dieser Erkenntnisse die Beziehung zwischen der speziellen Morphologie der Mundwerkzeuge und der Viskosität des Nektars erklärt.

Der mikroskopische Prozess, bei dem Bienen mit ihren Mundwerkzeugen flüssige Nahrung aufnehmen (Foto/Wei Jiangkun)

Im Bienen-Blumen-System wird der Nektarsammelprozess der Bienen von zwei Faktoren beeinflusst: der Viskosität des Nektars und seiner Tiefe in der Blütenkrone. Bisherige Studien haben diese beiden Faktoren allerdings oft getrennt voneinander diskutiert und nicht als System betrachtet. Kürzlich beobachtete die Forschungsgruppe von Wu Jianing an der Sun Yat-sen-Universität sorgfältig den mikroskopischen dynamischen Prozess der Nektaraufnahme durch die Mundwerkzeuge der Bienen tief im Inneren der Blütenkrone und enthüllte die Bewegungs- und Verhaltensmechanismen aus einer mechanischen Perspektive.

Wie sammeln Bienen Honig? Es gibt noch viele weitere Techniken!

Untersuchungen haben ergeben, dass Bienen über mehr als eine Möglichkeit verfügen, ihre Mundwerkzeuge zu manipulieren.

Wenn es Nektar mit geringer Viskosität (Zuckerkonzentration 10 %) zu sich nimmt, neigt es dazu, seinen Schnabel auszustrecken, um den Nektar direkt einzusaugen.
Wenn sie Nektar mit hoher Viskosität (Zuckerkonzentration 50 %) zu sich nehmen, neigen sie dazu, ihre behaarten Mittellippen und die Zunge schnell und kontinuierlich vor- und zurückzuschieben, um den Nektar einzutauchen und zu lecken.

Wenn Bienen mittelviskosen Nektar (Zuckerkonzentration von 30 %) in der Blütenkrone aufnehmen, lecken sie den Nektar zunächst schnell ab. Während sich die Nektaroberfläche allmählich von den Mundwerkzeugen entfernt, verringern die Bienen die Häufigkeit des Herausschnellens und Einziehens der Zunge erheblich und gehen schließlich dazu über, die Mundwerkzeuge stabil auszustrecken, um den Nektar direkt zu saugen.

Das Bewegungsmuster der Lippen und der Zunge der Biene ändert sich mit der Viskosität und Tiefe des Nektars (Foto/Wei Jiangkun)

Da die innere Struktur der Mundwerkzeuge der Biene äußerst komplex ist und die Antriebsmuskeln und Strukturen dieser beiden Fütterungsmethoden unterschiedlich sind, könnte diese Verhaltensspezifität das Ergebnis einer natürlichen Optimierung sein.

Durch experimentelle und theoretische Modellanalysen erklärten die Autoren die beiden verschiedenen viskosen mikrofluidischen Sammelmethoden, die an diesem Prozess beteiligt sind: Sinuspumpen-Saugen und Eintauchen und Lecken der Mittellippe und Zunge (einschließlich des koordinierten Eintauchens der Borsten und kapillarbetriebener Transportprozesse) und bestätigten, dass die Anpassungsstrategie des Fressverhaltens der Biene ihre Fresseffizienz für Nektar unterschiedlicher Entfernungen und Viskositäten sicherstellen kann. Die Autoren konnten bei Hummeln (einer anderen Gattung der Familie Apidae) keine Koexistenz zweier Ernährungsweisen feststellen und in der vorhandenen Literatur finden sich keine Hinweise auf eine multimodale Ernährung bei anderen Bienen oder gar anderen bestäubenden Insekten.

Saugen und Lecken haben in verschiedenen Situationen unterschiedliche Wirksamkeit (Foto/Wei Jiangkun)

Wie können wir die Vorteile der Bienen beim Honigsammeln besser nutzen?

Die einzigartige Flüssigfütterungsmethode der Bienen passt ihr Verhalten an, verleiht ihnen eine größere ökologische Anpassungsfähigkeit in komplexen Umgebungen und macht sie möglicherweise zu den effizientesten Bestäubern der Welt.

Diese Forschung ermöglicht es uns, die dynamischen Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Bestäubern auf mikroskopischer Ebene zu verstehen und vertieft unser Verständnis der engen Verbindung und gegenseitigen Beeinflussung zwischen Tieren und Pflanzen.

In Zukunft werden Forscher weiterhin untersuchen, wie Bienen in der Natur Nektar sammeln, und versuchen, bionische viskose Mikrofluid-Sammler zu entwickeln, mit denen sich biologische Flüssigkeitsproben oder Flüssigkeitsproben aus der Umwelt sammeln und erkennen lassen.

Quellen:

[1].www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2305436120

[2].https://www.science.org/content/article/watch-honey-bee-tongues-act-either-spoons-straws-depending-flower

Autor: Wei Jiangkun und Wu Jianing

Autoreinheit: Sun Yat-sen-Universität

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