Warum haben Pflanzen Dornen? Die Antwort liegt im Qinghai-Tibet-Plateau

Die „Schönheit“ der Pflanzenwelt geht oft mit einer Art „Schaden“ einher. Rosen, Sukkulenten, Kakteen ... diese dornigen Pflanzen pflegen alle eine Hassliebe zu Tieren und Menschen.

Warum haben Pflanzen Dornen? Wann tauchten Dornen zum ersten Mal auf? Wie hat es sich entwickelt? Den Wissenschaftlern fehlte es schon immer an gründlicher Forschung zu diesen interessanten Fragen.

In den letzten Jahren hat das paläontologische Expeditionsteam des Qinghai-Tibet-Plateaus, das gemeinsam von der Paläoökologischen Forschungsgruppe des tropischen Botanischen Gartens Xishuangbanna der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (im Folgenden „Botanischer Garten Banna“ genannt) und dem Institut für Wirbeltierpaläontologie und Paläoanthropologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gegründet wurde, auf dem zentralen Qinghai-Tibet-Plateau eine fossile Pflanzengemeinschaft entdeckt, die die weltweit größte Zahl an Dornfossilien aufweist. Wissenschaftler haben das Rätsel endlich gelöst und direkte Beweise für die Evolutionsgeschichte und die Ursachen dorniger Pflanzen gefunden. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in Nature Communications veröffentlicht.

Der „vernachlässigte“ fossile Dorn

Seit 2016 führt das paläontologische Expeditionsteam Jahr für Jahr paläontologische wissenschaftliche Untersuchungen im känozoischen Sedimentbecken der Bangong-See-Nujiang-Nahtzone im zentralen Qinghai-Tibet-Plateau durch und hat im Laufe der Jahre eine große Anzahl von Pflanzendornfossilien aus dem späten Eozän (vor etwa 39 Millionen Jahren) angesammelt.

Es gibt insgesamt 44 Dornfossilienexemplare aus dem Lunpola-Becken und dem Nima-Becken. Nach ihrer Form, Größe, Wuchsform und anderen Merkmalen werden sie in Hautdornen und Astdornen unterteilt, sodass es insgesamt 7 morphologische Typen gibt. Dies ist auch die fossile Pflanzengruppe mit der weltweit größten Anzahl bekannter Dornmorphologien.

Sieben morphologische Typen von Dornfossilien und lebenden Dornpflanzen aus dem späten Eozän (ca. 39 Ma) auf dem zentralen Qinghai-Tibet-Plateau. Bild mit freundlicher Genehmigung von Zhang Xinwen

Es gibt einige Nachweise für Dornfossilien in der fossilen Flora Nordamerikas und Europas, aber ihre Zahl ist gering und die Wissenschaftler haben sich nicht ausschließlich mit ihnen eingehend befasst. Obwohl diese Menge Dornfossilien vom Qinghai-Tibet-Plateau in das Labor des Botanischen Gartens Xishuangbanna gebracht wurde, wurde sie fast drei Jahre lang „vernachlässigt“.

„Obwohl es eine große Anzahl von Dornfossilien mit unterschiedlichen Formen gibt, ist es aufgrund fehlender detaillierter Merkmale fast unmöglich, diese Fossilien näher der Gattung, Art oder sogar Familie zuzuordnen.“ Sogar Zhou Zekun, ein Forscher und Paläobotaniker im Botanischen Garten Xishuangbanna, hielt sie für nutzlos, als er sie zum ersten Mal sah.

Im Jahr 2019 wurden diese Fossilien an Zhang Xinwen übergeben, einen Doktoranden der Paläoökologie-Forschungsgruppe des Botanischen Gartens Xishuangbanna. Neben der Beschreibung der Klassifizierungsinformationen machte ihr vor allem die Frage Sorgen, wie sie eine völlig neue wissenschaftliche Geschichte über die Dornfossilien erzählen könnte.

„Wenn wir lebende dornige Pflanzen sehen, können wir ihnen leicht eine wichtige ökologische Bedeutung im Ökosystem zuschreiben“, sagte Zhang Xinwen, der Erstautor des Artikels, gegenüber China Science Daily.

Sie erklärte, dass Dornen ein spezielles Organ von Pflanzen seien, das aus speziellen Blättern, Stängeln oder der Epidermis entstehen könne. Da die Oberfläche der Dornen sehr klein ist, kann die Transpiration reduziert werden, was der Pflanze hilft, sich an einige relativ trockene Umgebungen anzupassen. Gleichzeitig sind Dornen auch eine Abwehrstruktur der Pflanzen, die die Nagehäufigkeit von Pflanzenfressern wirksam reduzieren kann. Der typischste Lebensraum für Dornpflanzen ist daher die tropische Savanne.

„Wir verfügen über ein umfassendes Verständnis der lebenden Dornpflanzen, und die Paläontologie ist eine Disziplin, die die Vergangenheit mit der Gegenwart diskutiert. Daher spekulieren wir kühn, dass die große Anzahl an Dornen auch mit diesen Umweltfaktoren zusammenhängt.“ Zhang Xinwen sagte, das Forschungsteam habe beschlossen, die Forschung mit der ökologischen Bedeutung von Dornen zu beginnen.

Warum explodieren dornige Pflanzen?

Bisher konnten Wissenschaftler noch keine ältesten Fossilienfunde von stacheligen Angiospermen finden, doch den Ergebnissen molekularphylogenetischer Analysen zufolge tauchten sie erstmals in der Oberkreidezeit auf, als mit der explosionsartigen Ausbreitung der Angiospermen auch stachelige Pflanzen auftraten.

In dieser Studie kombinierte das Forschungsteam auch molekulare phylogenetische Analysen, um die phylogenetische Akkumulationskurve der eurasischen Dornpflanzengruppe im Känozoikum zu rekonstruieren. Die Ergebnisse zeigten, dass sich dornige Pflanzen seit dem Eozän rasch zu differenzieren begannen und dass die Artenvielfalt nach dem späten Eozän sogar exponentiell zunahm, was mit dem geologischen Alter dieser Gruppe von Dornfossilien auf dem Qinghai-Tibet-Plateau übereinstimmt.

„Dies bestätigt auch eine unserer Ideen. Die Arten der Dornfossilien, die wir gefunden haben, sind sehr vielfältig, was bedeutet, dass sich dornige Pflanzen seit dem späten Eozän schnell differenziert haben“, sagte Zhang Xinwen.

Doch was genau war die Ursache für den rasanten Anstieg der Vielfalt dorniger Pflanzen damals? Hat es etwas mit der ökologischen Umwelt zu tun?

In derselben Schicht fanden die Forscher nicht nur eine große Zahl von Dornfossilien, sondern sammelten auch eine Fülle von krautigen Pflanzenfossilien, insgesamt 315, was 38 % aller Pflanzenproben in derselben Schicht entspricht. Sie führten außerdem eine schichtweise Mikrofossilienanalyse derselben Schichten durch und entdeckten eine große Zahl von Phytolithen, die von krautigen Pflanzen produziert wurden, wie etwa die kurzen sattelförmigen Phytolithen der Unterfamilie Eragrostissima, die kappenförmigen Phytolithen der Unterfamilie Poa und die fächerförmigen Phytolithen der Unterfamilie Bambusoideae. „Das Gedeihen dieser krautigen Pflanzen bedeutet, dass die Umgebung damals ein offener Lebensraum und kein geschlossener Wald war“, erklärte Zhang Xinwen.

Typische Phytolithen und krautige Pflanzenfossilien in derselben Schicht. Foto mit freundlicher Genehmigung von Zhang Xinwen

Um die Hypothese über diesen Umwelttyp weiter zu überprüfen, verwendete das Forschungsteam auch das Atmosphären-Ozean-Zirkulationsmodell und das Triffid-Modell der University of Bristol in Großbritannien, um das Paläoklima und die Paläovegetation zu dieser Zeit zu simulieren. In Kombination mit den Ergebnissen der paläoökologischen Rekonstruktion der fossilen Flora wurde bewiesen, dass das zentrale Tal entlang der Nahtzone Bangong-See-Nujiang mit dem Rückzug des Neotethys-Ozeans im Paläogen eine Tendenz zur allmählichen Austrocknung aufwies. In Verbindung mit der globalen Klimaabkühlung veränderte sich die Vegetation dort vom geschlossenen Wald des Mittleren Eozäns (vor etwa 47 Millionen Jahren) zu offenem Waldland mit hohen Bäumen, mittelhohen Sträuchern und niedrigen krautigen Pflanzen.

Interessanterweise stellten die Forscher nach der Untersuchung von 658 Tierfossilien aus dem Qinghai-Tibet-Plateau und den umliegenden Gebieten fest, dass auch die Vielfalt der großen pflanzenfressenden Säugetiere in der damaligen Umwelt zuzunehmen begann.

„Durch die Existenz offener Wälder standen großen pflanzenfressenden Säugetieren reichhaltigere Nahrungsquellen zur Verfügung, was zwangsläufig zu einem erhöhten Fressdruck der Tiere auf Pflanzen führte und somit die Entwicklung von Dornen in offenen Waldpflanzen im Zentraltal des Qinghai-Tibet-Plateaus förderte.“ Zhang Xinwen betonte, dass dies etwa 24 Millionen Jahre früher geschah als eine ähnliche Transformation in Afrika.

„Diese Forschungsgeschichte veranschaulicht die Bedeutung von Fossilien für das Verständnis der Evolution funktioneller Pflanzenmerkmale.“ Zhang Xinwen sagte, die Forschung habe bewiesen, dass die Austrocknung des Zentraltals des Qinghai-Tibet-Plateaus im späten Eozän und der Fressdruck großer pflanzenfressender Säugetiere gemeinsam die schnelle Evolution der funktionellen Eigenschaft der Dornen vorangetrieben hätten. Es zeigt auch, dass die Umweltveränderungen auf dem Qinghai-Tibet-Plateau im Laufe der Erdgeschichte nicht nur tiefgreifende Auswirkungen auf die Pflanzenvielfalt in Asien und sogar in der weiteren Region hatten, sondern auch die funktionellen Merkmale der Pflanzen in der Region prägten.

Zhou Zekun glaubt, dass der Höhepunkt dieser Forschung in der Kombination mehrerer Methoden und Mittel wie Makrofossilien, Mikrofossilien, phylogenetischer Analyse und Modellsimulation liegt. Es ist das Produkt der gegenseitigen Integration von Paläobotanik, Wirbeltierpaläontologie, Paläoklimasimulation, Molekularbiologie und Ökologie.