Obst: Warum sind Blumen bunt, aber ich bin so eintönig?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Chen Zhe Niu Yang (Kunming Institut für Botanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Wenn Sie in der Natur spazieren gehen, werden Sie Blumen aller Art finden: Löwenzahn, Springkräuter, Osmanthus, Orchideen, Azaleen … Sie haben die unterschiedlichsten Formen und Farben.

Im Vergleich dazu erscheint das Erscheinungsbild von Früchten (vor allem Wildfrüchten) weniger üppig. Heidelbeeren, Weißdorn, Stechpalmen, Nachtschattengewächse, Eiben … Sie haben meist einfache Umrisse, etwa Kreise, und sind meist rot und schwarz.

Kürzlich führte ein Forschungsteam des Kunming Institute of Botany der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine quantitative Farbstudie an roten, von Vögeln bestäubten Blüten (Blumen, die von Vögeln bestäubt werden) und roten, von Vögeln verbreiteten Früchten (Früchte, deren Samen von Vögeln verbreitet werden) durch und fand heraus, dass die Farbtöne roter Früchte in der Natur nicht so kräftig sind wie die roter Blüten. Die Forscher kombinierten den „Hintergrund“ (die Evolutionsgeschichte) von Blumen und Früchten und fanden mögliche Gründe für die Farbunterschiede zwischen Blumen und Früchten.

Abb. 1 Mehrere Pflanzen mit roten Blüten (a–c) und roten Früchten (e–f). (a) Stängelblütige Art Echinops chinensis (Vogelbestäubt); b) Macrophylla serrata (käferbestäubt); c) Lithospermum officinale (bienenbestäubt); (d) Taxus chinensis (durch Vögel verbreitet); (e) Viburnum birchii (von Vögeln verbreitet); (f) Rhizoma serrata (von Vögeln verbreitet).

(Fotoquellen: a-d: Chen Zhe, e: Niu Yang, f: Guo Zemin)

Besondere Tiere und nicht „rein“ rot

Blüten und Früchte sind wichtige Organe für die Fortpflanzung von Pflanzen. Ihre Farben sind wichtige Merkmale, die Bestäuber (wie Bienen, Schmetterlinge und Vögel) und Verbreiter (wie Vögel und Säugetiere) anlocken und im Laufe der langfristigen Evolution von verwandten Tieren ausgewählt wurden.

Vögel sind eine ganz besondere Tierart , die sowohl an der Bestäubung als auch an der Verbreitung der Samen beteiligt ist . Obwohl es Unterschiede zwischen den Vogelarten gibt, die die Bestäubung und Samenverbreitung durchführen, ist das Farbsehsystem der Vögel im Allgemeinen konservativ und konsistent und besteht aus einem Vierfarbensystem (vier Arten von Photorezeptoren sind an der Farbwahrnehmung beteiligt, wie in Abbildung 2 dargestellt).

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf rote Blüten und rote Früchte, die mit Vögeln interagieren, wodurch Unterschiede in den Farbsehsystemen der interagierenden Tiere während der Bestäubung und Samenverbreitung effektiv kontrolliert wurden.

Darüber hinaus sind von Vögeln bestäubte Blüten und von Vögeln verbreitete Früchte meist rot und Rot ist für Vögel ein äußerst auffälliges Farbsignal. Diese Funktion eignet sich sehr gut zum Studium der Wechselwirkungen zwischen Tieren und Pflanzen und zur Erforschung der inhärenten Unterschiede zwischen Blüten (Bestäubungsprozess) und Früchten (Samenverbreitung).

Abb. 2 Empfindlichkeitskurven der Photorezeptoren in der Netzhaut von Vögeln (a) und Menschen (b). Vögel verfügen über ein tetrachromatisches Farbsehsystem, bei dem vier Zapfentypen auf der Netzhaut an der Farbwahrnehmung beteiligt sind. Der Mensch verfügt über ein Drei-Farben-System, das drei Zapfentypen entspricht, und ist unempfindlich gegenüber ultraviolettem Licht (ca. 300–400 nm).

(Bildnachweis: Chen Zhehui)

Tatsächlich weist die Farbe Rot eine große Vielfalt an Schattierungen auf, von denen einige mit bloßem Auge nicht unterschieden werden können.

Das „Rot“ von roten und roten Früchten kann in mindestens zwei Kategorien unterteilt werden (Abbildung 3). Eines davon ist „reines Rot“, dessen Reflexion nur im langwelligen Band (Rotlichtbereich) auftritt. Das andere kann als „nicht reines Rot“ bezeichnet werden. Neben der langwelligen Reflexion gibt es auch einen schwächeren Reflexionspeak (sekundärer Reflexionspeak, im Folgenden „sekundärer Peak“ genannt) im kurzwelligen Band (ultravioletter und blauer Bereich von 300–500 nm).

Abbildung 3 Beispiele für rote Blüten und rote Früchte mit und ohne reflektierte Seitenspitzen (SP). (a) Reflexionsspektren von zwei roten Blüten: Die Passiflora mit dichter Blüte weist sekundäre Peaks auf (blaue Linie), während die Passiflora mit roter Blüte keine sekundären Peaks aufweist (rote Linie). (b) Reflexionsspektren von zwei roten Früchten. Die Zinnoberwurzel weist einen zweiten Peak auf (blaue Linie), während die Schlangenbeere keinen zweiten Peak aufweist (rote Linie).

(Bildnachweis: Chen Zhehui)

Die Fruchtfarbe ist nicht so intensiv wie die Blütenfarbe

Das Forschungsteam hat zuvor Reflexionsspektren verschiedener roter Blumen gesammelt und so ihre wechselnden Muster sichtbar gemacht und die Bedeutung der Reflexionsseitenspitzen in roten Blumen für den Bestäubungsprozess geklärt.

Auf dieser Grundlage sammelten die Forscher 94 Arten roter, von Vögeln bestäubter Blumen und 99 Arten roter, von Vögeln verbreiteter Früchte und verglichen ihre Farbmerkmale. Die Farbvielfalt wurde im Spektralraum und im Farbsehraum der Vögel analysiert und die Farbauffälligkeit wurde mithilfe von Farbsehmodellen analysiert.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Farbvielfalt roter Früchte geringer war als die roter Blüten (Abbildung 4) und dass sie im Kurzwellenbereich selten sekundäre Reflexionsspitzen zeigten (Abbildung 5). Modelle des Farbsehens von Vögeln legen nahe, dass rote Früchte hinsichtlich ihrer Helligkeit auffälliger sind als rote Blüten, hinsichtlich ihres Farbtons jedoch nicht von diesen zu unterscheiden sind.

Abbildung 4: Von Vögeln bestäubte rote Blüten weisen eine größere Farbvielfalt auf als von Vögeln gesäte rote Früchte. Die Evolutionsgeschichte der von Vögeln bestäubten Blüten ist komplexer und sie könnten sich aus von Insekten (oft Bienen) bestäubten Blüten mit einer Vielzahl von Farben entwickelt haben. Das Tetraeder in der Abbildung ist der Farbsichtraum der Vögel, und die Punkte darin stellen die Positionen der Farben von Blumen (Rot) und Früchten (Cyan) im Farbsichtraum der Vögel dar. Histogramm, das das von Blumen und Früchten im Farbsehraum von Vögeln eingenommene Volumen zeigt (basierend auf 1000 Proben).

(Bildnachweis: Niu Yanghui)

Abb. 5 Reflexionsspektren von vogelbestäubten roten Blüten (a) und vogelgesäten roten Früchten (b). SP bezeichnet den Nebenpeak.

(Bildnachweis: Chen Zhehui)

Welche Rotfarbe bevorzugen Vögel?

Um zu testen, ob es Unterschiede in den ökologischen Funktionen der beiden Rot-Typen mit und ohne Nebenpeaks gibt, nutzten die Forscher Tauben als Modell und testeten deren Farbpräferenz und Farbunterscheidungsfähigkeit durch Verhaltensexperimente.

Abb. 6 Schematische Darstellung des Taubenverhaltensexperiments. (a) Eine Draufsicht des Y-förmigen Versuchsfelds mit einem Gitter in der Mitte und Grashintergrund sowie Belohnungsfarbsignalgeräten auf beiden Seiten. (b) Belohnung – Farbsignalgerät. Die beiden Früchte oben sind durch einen dünnen Eisendraht mit der Röhre darunter verbunden. Zur Belohnung können drei Haferflocken in die Röhre gegeben werden. Der Boden ist mit einem Eisennagel verbunden, um ihn auf dem Gras zu befestigen.

(Bildnachweis: Chen Zhehui)

Die Experimente wurden im Freien in einem Netzschuppen durchgeführt, um natürliches Licht zu erhalten. Die Site weist eine Y-förmige Gestaltung auf (Abb. 6a). Die Tauben gelangen von einem Ende her hinein, treffen an der Y-förmigen Gabelung eine Wahl und gelangen in den zweiarmigen Durchgang.

Hintergrund- und Farbreize wurden an den Enden des Zweiarmkanals eingestellt. Der Hintergrund besteht aus Rasen, der in einen Kunststoffrahmen gepflanzt ist, der während des Experiments senkrecht zum Boden aufgestellt wurde. Mithilfe der Früchte von Ardisia crenata werden zwei rote Signale erzeugt. In ihrem natürlichen Zustand reflektiert die Zinnoberwurzel eine gewisse Menge an UV-Licht, was durch das Auftragen von Sonnenschutzmitteln zu einer UV-absorbierenden roten Farbe führen kann. Die behandelten Früchte wurden über einen dünnen Draht mit einem Rohr verbunden, das eine Belohnung (Hafer) enthielt (Abbildung 6b).

Im Experiment wurde das Zentrifugenröhrchen unter dem Gras versteckt (nicht direkt sichtbar); während der Farbreiz den Tauben als Signal zur Auswahl diente.

Beim Testen der Farbpräferenz von Tauben gab es in den Röhren eine Belohnung, die den beiden roten Signalen entsprach, d. h. der Unterschied bestand nur in der Farbe, und ihre Wahl wurde verwendet, um festzustellen, ob sie eine Präferenz für die beiden Rottöne hatten.

Beim Testen der Farbunterscheidungsfähigkeit von Tauben werden Belohnungen nur in das Röhrchen gegeben, das einer roten Farbe entspricht, und in das Röhrchen der anderen roten Farbe wird keine Belohnung gegeben. Anhand der Wahl der Taube lässt sich feststellen, ob sie die beiden Farben unterscheiden kann. Wenn das belohnte Rot deutlich häufiger gewählt wird als das unbelohnte Rot, dann ist seine Wahl nicht zufällig, das heißt, es kann zwischen den beiden Farben unterscheiden.

Während des Experiments war die Position des Belohnungsfarbsignalgeräts auf dem Gras zufällig und wurde nach jeder Experimentierrunde angepasst, und der gesamte Anpassungsprozess war für die Tauben unsichtbar.

Zu Beginn des Verhaltensexperiments standen die Forscher vor einer großen Herausforderung: Es gelang ihnen nicht, die Tauben erfolgreich zu einer Entscheidung zu bewegen .

Wenn zwei Ziele mit etwas Abstand nebeneinander platziert wurden, zeigten die Tauben immer eine Präferenz für die Ausrichtung selbst, unabhängig von den Eigenschaften der Ziele selbst. Ohne nachzudenken nähern sie sich dem Ziel immer zuerst links und bewegen sich dann nach rechts; oder umgekehrt.

Trotz vieler Anpassungen, wie beispielsweise einer Änderung der Anordnung der Versuchsarena, einer Variation der Abstände zwischen den Optionen und einem Fasten vor dem Experiment, wollten die Tauben einfach keine Wahl treffen.

Diese Situation dauerte mehr als zehn Tage an und das Experiment zeigte keine erkennbaren Fortschritte. Nach fortwährender Beobachtung und Überlegung stellten die Forscher plötzlich fest, dass sich die Art und Weise, wie Tauben ihre Umwelt wahrnehmen, möglicherweise von der des Menschen oder mancher Insekten unterscheidet. Ihre Augen sind zur Seite gerichtet, statt nach vorne .

Daher befinden sich die beiden nebeneinander vor der Taube platzierten Ziele aus Sicht der Taube tatsächlich in der gleichen Richtung. Es muss keine Wahl treffen und kann die Belohnung erhalten, indem es auf sie zugeht.

Daher modifizierten die Forscher den Versuchsaufbau und platzierten die beiden Ziele in einer Y-Form, sodass sie sich auf unterschiedlichen Seiten befanden. Diese Anpassung hat sich endlich gelohnt!

Diesmal zögerten die Tauben sichtlich. Sie drehten oft ihre Köpfe nach links und rechts, um zu beobachten, bevor sie eine Entscheidung trafen, dachten eine Weile nach und entschieden sich dann, wegzugehen.

Die experimentellen Ergebnisse entsprachen den Erwartungen der Forscher. Obwohl die Tauben in der Lage waren, zwischen den beiden roten Farben mit und ohne sekundären Reflexionspeak zu unterscheiden (da sie über ein ausgezeichnetes Farbsehen verfügen), hatten sie keine offensichtliche Farbpräferenz . Daher ist der Einfluss von Vögeln auf die Entwicklung von Rot mit und ohne sekundäre Peaks möglicherweise nicht entscheidend.

Abbildung 7 Tauben im Experiment

(Bildnachweis: Chen Zhe)

Blumen und Früchte haben unterschiedliche „Lebenserfahrungen“

Obwohl beide rot sind, weisen Blüten und Früchte dennoch deutliche Unterschiede in der Farbvielfalt, den spektralen Eigenschaften und der Farbwahrnehmung auf. Da die einzigen interagierenden Tiere, die an dieser Studie teilnahmen, Vögel waren, können diese Unterschiede bei Blüten und Früchten nicht auf Unterschiede zwischen den interagierenden Tiergruppen und ihren Farbsehmerkmalen zurückgeführt werden.

Es gibt zwei Hauptgründe, warum rote Blumen eine größere Farbvielfalt aufweisen. Erstens ist die Beziehung zwischen Blüten und Bestäubern enger und spezialisierter als die Beziehung zwischen Früchten und Verbreitern, was zu einer größeren Vielfalt an Blütenfarben führt. Das heißt, die Blüten neigen dazu, „unterschiedlicher“ zu sein , was dazu beiträgt, unterschiedliche Bestäuber anzulocken, wodurch die Pollenübertragung zwischen verschiedenen Pflanzen verringert und Pollenverschwendung sowie gegenseitige Störungen vermieden werden (Pollen von verschiedenen Pflanzen können die Samenbildungsrate verringern).

Die Früchte neigen dazu, „einheitlicher“ zu sein , wobei sich verschiedene Pflanzen stillschweigend dafür entscheiden, besonders auffällige rote Früchte zu produzieren, um Vögel anzulocken, die sich ausbreiten. Es ist sogar möglich, dass es sich hierbei um eine Strategie handelt, verschiedene Früchte zu „vereinen“, um Verbreiter anzulocken.

Darüber hinaus ist die Evolutionsgeschichte der von Vögeln bestäubten roten Blüten komplexer und kürzer.

Etwa im Känozoikum (vor 66 Millionen Jahren) tauchten erstmals von Vögeln bestäubte Blumen auf. Die Vorfahren der von Vögeln bestäubten Blumen könnten von Insekten bestäubte Blumen (oft von Bienen bestäubte Blumen) gewesen sein. Insekten haben ein vielfältiges Farbsehen und unterscheiden sich von Vögeln. Von Insekten bestäubte Blüten weisen eine reiche Farbpalette auf, beispielsweise Blau und Lila. Im Laufe der Evolution von insektenbestäubten zu vogelbestäubten Blüten haben die Blüten bestimmte Farbmerkmale ihrer Vorfahren beibehalten und weisen komplexere und vielfältigere Merkmale auf.

Abbildung 8 Hummeln besuchen einen blauen Gießtopf

(Bildnachweis: Guo Zemin)

Im Gegensatz dazu haben von Vögeln gesäte rote Früchte eine einfachere und längere Evolutionsgeschichte. Vögel könnten Pflanzen bereits in der Unterkreide (vor 145 bis 100 Millionen Jahren) bei der Verbreitung ihrer Samen geholfen haben.

Obwohl die Vorfahren der von Vögeln verbreiteten Früchte möglicherweise auch von anderen Tieren, wie einigen Reptilien (z. B. Eidechsen) und Säugetieren (z. B. prähistorischen Vielfüßlern), gefressen wurden, ist das Farbsehsystem dieser Tiere entweder dem der Vögel ähnlich oder viel einfacher als das der Vögel. Zudem ist ihr Selektionsdruck auf die Fruchtfarbe möglicherweise gleichbleibend, was dazu führt, dass die Fruchtfarbe weniger vielfältig ist. Dies lässt darauf schließen, dass die Evolutionsgeschichte einen tiefgreifenden Einfluss auf die Blüten- und Fruchtfärbung hat, der in zukünftigen Studien mehr Aufmerksamkeit verdient.

Abschluss

Jeder liebt leuchtende Blumen, und wenn wir in die komplexe Welt der Natur eintauchen, werden wir überrascht feststellen, dass die Farben von Blumen und Früchten weit mehr als nur optische Effekte haben, sondern auch eine wichtige Bedeutung für ihre eigene Reproduktion haben.

Für den Menschen hat Farbe einen ästhetischen Wert, für Pflanzen und Tiere hingegen könnte Farbe der Schlüssel zu ihrer Fortpflanzung über Milliarden von Jahren sein.

Quellen:

[1] Chen Zhe Niu Yang. [Ernsthaftes Quiz] Was ist häufiger, die Anzahl der roten Blumenfarben in der Natur oder die Anzahl der Lippenstiftfarben?

(Hinweis: Lateinischer Text sollte kursiv gedruckt werden.)