Die Evolution fleischfressender Pflanzen ist eine Geschichte berufsverändernder Gene

Vor dem 18. Jahrhundert glaubten die Menschen im Allgemeinen, dass Pflanzen sich nicht bewegen könnten und nur als Nahrung für Tiere existieren könnten. Sie konnten nicht glauben, dass Pflanzen Tiere jagen können.

Darwin verbrachte 16 Jahre damit, akribische Experimente an Pflanzen durchzuführen. Er beobachtete, dass sich die Blätter einiger Pflanzen auf seltsame Strukturen spezialisiert hatten, die nicht nur Insekten und andere kleine Tiere fangen, sondern auch die darin enthaltenen Nährstoffe verdauen und aufnehmen konnten. Diese Entdeckung wurde später in seinem Buch „Insectivorous Plants“ ausführlich beschrieben.

Veränderte die Veröffentlichung von „Fleischfressende Pflanzen“ das Bild der Pflanzen als „unschädlich für Mensch und Tier“, so „befreite“ das Buch „Die Kraft der Pflanzen, sich zu bewegen“ die Pflanzen von dem ihnen innewohnenden Eindruck, sie seien starr und unbeweglich.

Plötzlich unterschieden sich Pflanzen nicht mehr von Tieren, sie konnten sich fortbewegen und Menschen töten. Dieses neue Wissen machte Horrorgeschichten über Pflanzen, die Menschen töten, zu einem sehr beliebten Thema. Andererseits inspirierte es aber auch Generationen von Biologen, diese unglaublichen und seltsamen Pflanzen zu verstehen und zu entschlüsseln.

Ein Schriftsteller des 19. Jahrhunderts beschrieb einen menschenfressenden Baum. Bildnachweis: JW BUEL / PUBLIC DOMAIN

So seltsam

Schauen Sie noch einmal hin

Derzeit sind weltweit 12 Familien, 20 Gattungen und etwa 860 Arten fleischfressender Pflanzen bekannt. Die meisten dieser Pflanzen wachsen in nährstoffarmen Gebieten, beispielsweise in feuchten, sauren Sümpfen oder auf kargen tropischen Böden. Alle Lebensräume sind durch einen Mangel an Stickstoff und Phosphor gekennzeichnet, die für das Pflanzenwachstum notwendig sind. Um zu überleben, müssen sie daher alternative Quellen für wichtige Nährstoffe finden.

Bildnachweis: Royal Botanic Gardens Victoria

Durch die Evolution haben sich Pflanzen, die in „unfruchtbaren Gebieten“ leben, zu Insekten und anderen kleinen Wirbellosen als Zieltiere entwickelt, da diese reich an Proteinen und verschiedenen Elementen sind, die für das Pflanzenwachstum erforderlich sind. Um mit ihnen fertig zu werden, haben fleischfressende Pflanzen auch einzigartige Raubmethoden entwickelt.

Was die Fangmethoden betrifft, verwenden alle fleischfressenden Pflanzen derzeit sechs grundlegende Mechanismen, nämlich Fallen, Klebstoffe, Insektenfallen vom Klemmtyp, Insektenfallen vom Hummerkäfigprinzip, die nach dem Eindringen weder Ausgang noch Eingang finden, Insektenfallen vom Taubenkäfigprinzip, die sich nach dem Eindringen nur vorwärts, aber nicht rückwärts bewegen können, und Insektenfallen vom Sacktyp, die ein Vakuum erzeugen können, um Beute herauszusaugen.

Darunter sind die meisten Fangmethoden sehr „langweilig“. So sind beispielsweise die Blätter von Kannenpflanzen wie Nepenthes, Heliamphora und Sarracenia, die sich gut zum Bau von Fallen für die Jagd eignen, meist hochspezialisiert und entwickeln sich zu komplexen flaschenförmigen Behältern, die mit Verdauungssäften gefüllt sind.

Exemplare der Art Nepenthes, gesammelt im malaysischen Borneo. Bildnachweis: A. van der Ent (1) & A. Robinson

Diese spezialisierten Blätter können auch Wasser speichern oder Tiere anlocken, indem sie Duftstoffe aus Nektardrüsen abgeben oder verschiedene Lichtspektren reflektieren. Wenn die ahnungslose „Melonenessermeute“ auf den Blättern landet, fallen aufgrund der besonderen glatten Struktur an der Oberseite der Flaschenöffnung viele Insekten versehentlich in die Flasche, während sie darauf laufen.

Bildquelle: Siehe Bildwasserzeichen

Für Beutetiere, die in die Flasche fallen, ist es grundsätzlich schwierig, wieder herauszuklettern, da die Flaschenwand mit einer glatten Wachsschicht überzogen ist. Gleichzeitig weist die Verdauungsflüssigkeit am Boden der Flasche eine geringe Oberflächenspannung auf und ist sehr viskos. Das bedeutet, dass die Beute, sobald sie in die Flasche fällt, schnell an die Flüssigkeitsoberfläche sinkt und schließlich von der Verdauungsflüssigkeit für den Eigenbedarf zersetzt wird.

Natürlich gibt es auch flexiblere Fangmethoden, wie etwa Pflanzen der Gattung Drosera, die über relativ dreidimensionale und bewegliche Insektenfallen mit klebrigen Tentakeln verfügen, die Schleim absondern, der Insekten anlockt. Wenn die Beute feststeckt, biegen sich die ursprünglich ausgestreckten Tentakeln aktiv in Richtung der Beute, wodurch sich mehr Schleim um die Beute wickelt und sie erstickt. Gleichzeitig wird die Kontaktreichweite zwischen den Verdauungsdrüsen und der Beute vergrößert, wodurch die Beute schneller getötet und Nahrung aufgenommen wird.

Bildquelle: ISTOCK.COM / CATHY KEIFER

Als „Elitejäger“ kann jedoch die Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) bezeichnet werden , die über ein ausgeklügeltes und komplexes Reaktionssystem verfügt. Seine einzigartige klammerförmige Insektenfalle besteht aus hochspezialisierten Blättern und ist durch die Mittelrippe verbunden. Auf der Innenseite jeder Klammer befinden sich empfindliche Tasthaare. Wenn sich die Tasthaare biegen, lösen sie die Öffnung der Ionenkanäle der Basalzellen aus, erzeugen ein Aktionspotential und übertragen es an die Mittelrippe, wodurch die Klammer geschlossen wird. Noch erstaunlicher ist, dass die Venusfliegenfalle auch unterscheiden kann, ob das Aktionspotential durch die Berührung eines Insekts oder durch fallende Regentropfen oder abgestorbene Blätter verursacht wird, und entsprechende Urteile fällen kann.

Die Falle der Venusfliegenfalle schließt sich augenblicklich und fängt ihre Beute ein. Bildnachweis: ANDIA / ALAMY STOCK PHOTO

Obwohl sich fleischfressende Pflanzen hinsichtlich ihrer Gestalt, Form und Fangmethoden stark unterscheiden, besteht ihre Nahrungsgrundlage in speziellen Blättern oder Blattteilen. Dies bedeutet auch, dass fleischfressende Pflanzen ihre Nährstoffe hauptsächlich über die Blätter und nicht über die Wurzeln aufnehmen.

Dieses Gen ist nutzlos.

Warum ändern Sie nicht Ihre Position?

Wie also wurden Blätter, die ursprünglich der Photosynthese dienten, zu Angriffswaffen? Die Antwort könnte in unseren Genen liegen.

Damit Pflanzen Fleisch essen können, müssen sie zwei wichtige Probleme lösen: Das erste ist die Verdauung und das zweite die Aufnahme.

Von nun an scheint der Evolutionsprozess der fleischfressenden Pflanzen schlau und flexibel gewesen zu sein. Sie nutzten vorhandene „Ressourcen“, um neue Fähigkeiten zu erlangen. Schließlich ist es einfacher, „Abfall“ zu verwerten, als ihn neu zu erzeugen.

Bereits in den 1970er Jahren entdeckten Forscher, dass die Verdauungssäfte fleischfressender Pflanzen eine Reihe von Enzymen enthalten, darunter Chitinase, die Chitin im Exoskelett von Insekten abbauen kann, Proteasen, die Proteine ​​im Fleisch abbauen, und saure Purpurphosphatasen, die elementaren Phosphor aus Beutetieren extrahieren können. Zunächst war den Forschern unklar, ob diese Enzyme von den fleischfressenden Pflanzen selbst oder von Mikroorganismen in ihren Verdauungssäften produziert wurden.

Bildnachweis: H. ZELL / WIKIMEDIA COMMONS

Erst mit der rasanten Entwicklung der DNA-Sequenzierungstechnologie gelang es Molekularwissenschaftlern, viele der Gene zu identifizieren, die diese Enzyme kodieren. Dabei stellten sie fest, dass sie unverändert geblieben waren, aber von fleischfressenden Pflanzen zweckentfremdet worden waren, da die Enzyme auf eine Weise wirkten, die den chemischen Abwehrmechanismen sehr ähnlich war, die Pflanzen ursprünglich zur Bekämpfung von Bakterien, Pilzen und pflanzenfressenden Insekten einsetzten.

Beispielsweise wurde Chitinase ursprünglich möglicherweise zur Bekämpfung von Pilzen eingesetzt, deren Zellwände Chitin enthalten. Später, als sich Arthropoden entwickelten, wurde Chitinase auch zur Abwehr dieser Pilze eingesetzt.

Bei der Verdauung des gefangenen Tieres werden große Moleküle wie Chitin und Protein in kleinere Moleküle zerlegt, die die Pflanze über die Verdauungssäfte in den Körper transportieren muss. Bei gewöhnlichen Pflanzen ist die Aufnahme von Nährstoffen Aufgabe der Wurzeln und Transportproteine ​​transportieren kontinuierlich Nährstoffe aus dem Boden zur Pflanze. Um bei fleischfressenden Pflanzen auch die Aufnahme von Nährstoffen über die Blätter zu ermöglichen, werden die in den Wurzeln wirkenden Gene der Transportproteine ​​in die Blätter eingebracht. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das Gen in den Wurzeln immer aktiv bleibt, in den Blättern jedoch das Transportprotein nur aktiviert wird, wenn Nährstoffe aufgenommen werden müssen.

Bei alten Pflanzen ermöglicht die Wiederverwendung einer großen Zahl wiederholter Gene eine stärkere Anpassungsfähigkeit an die Umwelt, was der Grund dafür sein könnte, dass Pflanzen die Fähigkeit erlangen können, Fleischfresser zu fressen.

Quellen:

1. Über den Ursprung der Fleischfresserei: Molekulare Physiologie und Evolution von Pflanzen auf tierischer Nahrung

https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-080620-010429

2. Venusfliegenfalle: Wie eine erregbare, fleischfressende Pflanze funktioniert

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1360138517302807

3. Der fleischfressende Lebensstil der Venusfliegenfalle baut auf den Verteidigungsstrategien von Pflanzenfressern auf

https://genome.cshlp.org/content/early/2016/04/28/gr.202200.115.full.pdf

Autor: Fisch

Gewinner des Silberpreises für herausragende wissenschaftliche Popularisierungsarbeiten der China Science Writers Association

Für diejenigen, die gedämpften Fischkopf, würzigen Fischkopf und andere Fischkopf lieben