Bizarre Blüten, die wie Insektenweibchen aussehen und duften. Ungewöhnliche Lebensgemeinschaften. Eine Fülle von Arten, wie sie keine andere Pflanzenfamilie kennt. Die Evolution der Orchideen gibt Rätsel auf.
Ein Windhauch fährt durch das Blätterdach – und Hunderttausende von staubfeinen Samen machen sich auf die Reise. Doch die meisten von ihnen werden ihr Ziel nie erreichen und zugrunde gehen. Nur für einige wenige der lebenden Staubkörner erfüllt sich das Schicksal: Nach der Landung in einer entfernten Baumkrone streckt ein Pilz seine mikroskopisch kleinen Tentakeln nach ihnen aus. Es ist der Beginn einer lebenslänglichen ungleichen Partnerschaft. Es ist der Start ins Leben einer Orchidee.
Klingt umständlich und wenig erfolgversprechend? Aber tatsächlich ist es der Anfang eines beispiellosen Siegeszugs: Fast jede zehnte Pflanzenart auf der Welt ist eine Orchidee. Damit ist die Familie der Orchideen die artenreichste unter den Blütenpflanzen. Etwa 24 000 Arten sind bisher beschrieben, und ständig werden es mehr. So haben Wissenschaftler des WWF Anfang des Jahres allein in Papua-Neuguinea auf einen Schlag 30 neue Arten entdeckt. Unter den „Neulingen” finden sich immer wieder spektakuläre Exemplare: Die Art Bulbophyllum nocturnum etwa, die erst im letzten Jahr aufgespürt wurde, blüht nur bei Nacht – noch vor Tagesanbruch schließen sich die bizarren Blüten wieder. Orchideen besiedeln Lebensräume von den Baumdächern der Regenwälder bis zur arktischen Tundra. Der Durchbruch der Familie „Orchidaceae” sucht seinesgleichen in der Pflanzenwelt. Wie konnte diese außerordentliche Vielfalt entstehen? Forscher vermuten Erstaunliches: Das Erfolgsrezept zahlreicher Orchideen ist ihre Bereitschaft zum Betrug.
Das Rätsel der Orchideen-Vielfalt ist so alt wie die Evolutionstheorie. Kein geringerer als Charles Darwin hat es sich als Erster gestellt. Fasziniert von den Besonderheiten der Orchideenblüten, widmete er ihnen ein ganzes Buch. Für Darwin waren Orchideen von größerer Bedeutung als seine berühmten Finken. 1861 schreibt er in einem Brief: „Ich war in meinem ganzen Leben an keinem Thema so sehr interessiert wie an diesem über Orchideen.”
Heute, 150 Jahre später, steht fest: Von der tatsächlichen Vielfalt der Orchideen hatte Darwin keine Ahnung. „Zu Darwins Zeiten kannte man vielleicht ein paar Tausend Orchideen-Arten”, sagt Günter Gerlach, Hauptkonservator am Botanischen Garten München-Nymphenburg. „Heute haben wir mit unzähligen Fotos und Zeichnungen einen viel besseren Überblick über die Blütenvielfalt als Darwin zu seiner Zeit.” Für die Forschung an der Orchideen-Evolution bedeutet das: Wer sich heute dieser Arbeit stellt, der hat sich viel vorgenommen. Denn der rasante Artenzuwachs hat die Aufgabe nicht gerade leichter gemacht.
DER PLATZ AN DER SONNE
Eine Erkenntnis über den Erfolg der Orchideen gilt heute als gesichert: Sie haben es nicht alleine geschafft. Irgendwann im Laufe ihrer Evolution begannen Orchideen, die Bäume zu besiedeln. Der genaue Zeitraum dieser Entwicklung ist nicht bekannt, aber es geschah wohl lange, bevor die Vorfahren des Menschen von den Bäumen herabgestiegen sind. Über 70 Prozent aller heutigen Orchideen-Arten wachsen an oder auf Bäumen. Mit der Eroberung der Baumkronen haben sie sich in eine recht komfortable Lage gebracht – ein Leben nahe am Licht.
In dichten Regenwäldern, Heimat der Mehrheit aller Orchideen-Arten, erreichen nur höchstens fünf Prozent des Sonnenlichtes den Boden. Für die meisten Pflanzen ist das zu wenig, um effektiv Photosynthese zu betreiben. Ein Leben im obersten Stockwerk bietet daher den außerordentlichen Vorteil für die Pflanze, dass sie der Konkurrenz um das kostbare Licht entgeht. Wie keine andere Pflanzenfamilie haben Orchideen die hohe Lage im Blätterdach als Lebensraum für sich erschlossen und stellen damit alle anderen Pflanzengruppen buchstäblich in den Schatten. Dies ist eine beachtliche Leistung, denn abgesehen vom Lichtangebot hat eine Baumkrone wenig zu bieten. Das Leben auf einem Ast ist trocken und karg, es gibt wenig Halt und kaum Nährstoffe. Wer sich hier in luftiger Höhe durchsetzen will, muss innovativ sein – und ungewöhnliche Fähigkeiten mitbringen. Orchideen können beides.
Manche Anpassungen an das Leben ohne Erde sind mit bloßem Auge zu erkennen: die dicken, grauen Luftwurzeln zum Beispiel. Sie bestehen aus einem porösen Gewebe abgestorbener Zellen, das wie ein Schwamm wirkt. Noch der feinste Tautropfen, sogar die Feuchtigkeit aus der Luft, wird von diesem Gewebe aufgenommen. So kommt die Pflanze bequem auch ohne den Luxus aus, ihre Wurzeln ins feuchte Erdreich zu senken.
Entscheidend für die erfolgreiche Besiedlung der Urwaldriesen war aber vermutlich etwas anderes: Die Wohngemeinschaft war seit jeher ein Dreierbund. Zusätzlich zum Baumpartner unterhalten alle bisher bekannten Orchideen-Arten mikroskopisch kleine Pilze, von denen sie Nährstoffe erhalten. Ohne das Gewebe zu zerstören, dringt der Pilz in die äußersten Schichten der Wurzel ein. Dort versorgt er die Zellen der Orchidee mit Substanzen, die sich die Pflanze in der unwirtlichen Umgebung des Baumes selbst nicht erschließen kann.
DAS BÜNDNIS mit dem Pilz
Die Gemeinschaft mit dem Pilz ist für die Orchidee unerlässlich. Ohne seine Hilfe würde ihr Leben bereits im Keim scheitern. Der Grund: Orchideen-Samen enthalten kein Nährgewebe wie etwa ein Reiskorn die Stärke oder die Leinsaat das Öl. Dadurch ist der pflanzliche Embryo auf zusätzliche Energiequellen angewiesen, um die Samenhülle zu überwinden. Hier kommt der Pilz ins Spiel: Indem er den Samen infiziert, wird er zum Geburtshelfer. Einmal im Inneren des Samens angelangt, wird der Eindringling zur lebenslangen Nahrungsquelle – die Orchidee kann wachsen. „Ich tue mich schwer damit, diese Beziehung als Symbiose zu bezeichnen”, sagt Günter Gerlach. „Meiner Meinung nach wäre der Begriff ‚Parasitismus‘ hier eher angemessen.” Bislang ist nicht geklärt, welchen Nutzen der Pilz aus der engen Lebensgemeinschaft mit der Orchidee davonträgt. Während der Samenkeimung, wenn der Hunger der Orchidee am größten ist, geht die „Partnerschaft” vollständig auf Kosten des Pilzes. Sobald die Pflanze ihre ersten Blätter gebildet hat, ist sie zur Photosynthese fähig und könnte sich theoretisch selbst mit energiereichen Kohlenhydraten versorgen. Stattdessen ernährt sich die Orchidee auch dann noch teilweise von ihrem Pilzpartner, wenn sie an einem sonnigen Standort wächst und ihren Bedarf problemlos selbst decken könnte – das berichteten italienische Biologen aus Turin und Neapel letztes Jahr im Fachblatt American Journal of Botany. Manche Arten – etwa die Vogel-Nestwurz – lassen sich sogar ausschließlich von ihrem Wurzelpilz aushalten: Sie haben die Photosynthese völlig aufgegeben und besitzen nicht einmal mehr grüne Blätter. In diesem extremen Fall wird der Pilz eindeutig zum Opfer von Parasitismus. Aber nicht jeder Pilz lässt sich von einer Orchidee in die Knechtschaft treiben. Derselbe Pilz kann für den Samen einer Art lebenswichtig und für den Samen einer anderen Art schädlich oder gar tödlich sein. Orchideen-Arten unterscheiden sich also nicht nur äußerlich, sondern auch in der Wahl ihrer pilzlichen Untermieter. Ein Gedanke stand unter Wissenschaftlern lange Zeit hoch im Kurs: Ist die „Unterwerfung” neuer Pilz-Arten womöglich die treibende Kraft der Orchideen-Evolution? Sind deshalb so viele Arten entstanden, weil sie sich auf verschiedene Pilze spezialisiert haben?
Um das herauszufinden, untersuchten Biologen vom Imperial College London die Pilzvorlieben verschiedener Orchideen-Gattungen. Das Ergebnis: Nah verwandte Orchideen-Arten unterscheiden sich selten in ihren Pilzpartnern. Der Wechsel in eine neue Lebensgemeinschaft scheint also nicht ausschlaggebend für die Artbildung gewesen zu sein. Wichtig für den Erfolg war der Wechsel trotzdem: Neue Pilzpartner haben es den Orchideen wohl ermöglicht, viele unterschiedliche Lebensräume zu besiedeln. „Derzeit sieht es so aus, als ob die Beziehung zu verschiedenen Pilzen eher für die Verbreitung der Orchideen-Arten wichtig war als für ihre Vielfalt”, fasst Salvatore Cozzolino zusammen, der sich an der Universität Neapel „Federico II” mit der Diversität der Orchideen beschäftigt.
DIE INSEKTEN-CONNECTION
Die Erklärung für die Vielfalt der Orchideen-Arten ist seiner Meinung nach nicht bei den Orchideenwurzeln zu finden. Sein Blick richtet sich stattdessen auf weiter oben gelegene Pflanzenteile: „ Taxonomen unterscheiden Tausende von Orchideen-Arten anhand der Gestalt ihrer Blüten und nicht anhand unterschiedlicher Pilze. Es ist offensichtlich, dass die Evolution der Blüten die treibende Kraft für die Vielfalt der Orchideen gewesen sein muss.” Mit dieser Einschätzung steht Salvatore Cozzolino keineswegs allein da.
Die Blüten einer Orchidee üben seit jeher einen geheimnisvollen Reiz auf den menschlichen Betrachter aus. Nicht selten wurden ihnen sogar laszive Eigenschaften zugesprochen. Schon der Name Orchidee ist vom griechischen Wort „orchis” für „ Hoden” abgeleitet. Zwar bezieht sich der Name nicht auf die Blüte, sondern auf die charakteristischen Knollen der Knabenkräuter, aber die Gedankenverbindung ist offensichtlich. Eine Reihe von Sonderbarkeiten verleihen der Orchideenblüte ihre fremdartige Schönheit – etwa das Fehlen freier Staubblätter und die gespiegelte Symmetrie der Blüte. Obwohl diese Reize zweifellos auch den Menschen ansprechen, erfüllen sie doch einen ganz bestimmten Zweck: Die Blüte ist der Ort, an dem sich die dritte Beziehung einer Orchidee zu einem anderen Lebewesen abspielt – die Beziehung zu ihrem Bestäuber.
Schon sehr früh in ihrer Entwicklung haben Orchideen auf die Hilfe von Insekten gesetzt, um ihren Pollen zu verbreiten. Darüber herrscht spätestens seit letztem Jahr Gewissheit, als Evolutionsbiologen eine fossile Biene präsentierten, die den Pollen einer Orchidee am Körper trug. Heutige Orchideen greifen fast alle auf diesen tierischen Liebesdienst zurück: Auf der Suche nach Nektar und anderen Kostbarkeiten werden Blütenbesucher mit Pollen ausgestattet. Landen sie mit der Pollenfracht auf der nächsten Blüte, wird diese Pflanze bestäubt und kann Samen bilden.
Zwar ist Insektenbestäubung keine Seltenheit im Pflanzenreich. Allerdings ist mehr als die Hälfte der Orchideen-Arten auf jeweils eine einzige Tierart angewiesen. Die Beziehung zum Bestäuber ist oft so spezifisch, dass kein anderer dessen Dienste ersetzen kann. Stirbt der Bestäuber aus, würde das zwangsläufig auch das Ende der jeweiligen Orchideen-Art nach sich ziehen. Keine andere Pflanzenfamilie ist so stark vom Schicksal einzelner Tierarten abhängig.
Dabei ist die Bandbreite der Bestäuber, die für die Pollenübertragung rekrutiert wurden, erheblich: Von Motten über Schmetterlinge, Fliegen und Wespen bis hin zu Vögeln gibt es kaum ein flugfähiges Tier, mit dem sich eine Orchidee noch nicht eingelassen hätte. Entsprechend groß ist die Formenvielfalt der Orchideenblüten: Sie können wenige Millimeter klein sein oder Blütenstände mit einer Höhe von drei Metern bilden. Zu einiger Berühmtheit hat es eine Orchidee gebracht, die auch als „Stern von Madagaskar” bezeichnet wird. Die Pflanze produziert ihren Nektar am Grunde eines röhrenförmigen Sporns, der bis zu 40 Zentimeter lang werden kann. Zu Darwins Zeit wusste niemand, wie diese bizarre Blüte bestäubt wird. Der Vater der Evolutionstheorie spekulierte: Irgendwo muss es ein Insekt geben mit einem so langen Saugrüssel, dass es den Nektar trinken und die Pflanze bestäuben kann. Ein solcher Nachtfalter wurde gefunden – aber erst 41 Jahre später, nach Darwins Tod.
Schon Darwin ahnte, was Biologen um Santiago Ramírez von der Harvard University in Cambridge im vergangenen Jahr anhand von Prachtbienen in Mittelamerika schließlich nachweisen konnten. Die Forscher hatten mithilfe von Duftfallen in tropischen Regenwäldern mehr als 7000 Prachtbienen gefangen. Fast 200 davon trugen Orchideen-Pollen am Leib und wiesen sich damit eindeutig als Bestäuber aus. Genetische Analysen der Bienen und ihrer Pollenfracht ermöglichten es, die evolutiven Stammbäume beider Gattungen zu vergleichen. Das Ergebnis: Die Evolution der Orchideen folgte der Entstehung neuer Prachtbienen-Arten. Im Klartext: Wann immer eine neue Prachtbienen-Art entstand, fand sich auch bald eine Orchidee, die sie als Bestäuber nutzte. Orchideen haben sich im Laufe ihrer Evolution auf neue Bestäuber förmlich gestürzt. Die Spezialisierung auf unzählige Bestäuber könnte folglich erklären, weshalb so viele Orchideen-Arten entstanden sind. Die Frage ist nur: Wozu treiben Orchideen diesen Aufwand?
DIE SEX-FALLE
Um der Sache auf die Spur zu kommen, haben sich Wissenschaftler wie Salvatore Cozzolino eine weitere Kuriosität in der Welt der Orchideen vorgenommen. Etwa 400 Arten vor allem in Europa und Australien nutzen einen geradezu perfiden Trick, um Insekten unfreiwillig in ihren Dienst zu stellen: Ein Teil ihrer Blüte ist der Gestalt weiblicher Insekten nachempfunden. Bei dem Versuch, die vermeintliche Schöne zu begatten, wird den Männchen der Pollen angeheftet. Die Täuschung durch die Blüte ist perfekt bis ins Detail. Nicht nur Farbe und Form entsprechen der Gestalt des Bestäuberweibchens, viele Blüten produzieren sogar einen Duft, der nahezu identisch ist mit den Sexualpheromonen der paarungsbereiten Insektendamen. Während der Kopulation erzeugen Blütenhaare beim Männchen die Illusion, es hätte ein echtes Weibchen unter sich. Bei der Orchidee Ophrys speculum ist die Imitation des Duftes von Wespendamen sogar so wirkungsvoll, dass sich die Männchen in einem Experiment für die Orchidee entschieden, wenn sie vor die Wahl zwischen der Pflanze und einem echten Weibchen gestellt wurden.
Täuschungsmanöver sind bei Orchideen beliebt. Neben der Sexualtäuschung betrügt gut ein Drittel aller Orchideen-Arten noch auf andere Weise: Insekten werden angelockt, indem die Blüten nektarführender Pflanzen nachgeahmt werden. Doch der Besucher geht leer aus – den Nektar spart sich die Orchidee. Bevor der Bestäuber die Finte wittert, hat er den Pollen bereits im Gepäck. „Ein Drittel aller Orchideen-Spezies ist betrügerisch – eine extrem große Zahl, wenn man bedenkt, dass im gesamten übrigen Pflanzenreich nur noch ein paar Hundert solcher Fälle vorkommen”, gibt Cozzolino zu bedenken.
Für Wissenschaftler ist die Betrügerei ein Glücksfall: Denn sexuell betrügerische Blüten dienen als Paradebeispiel für hoch spezialisierte Bestäuberbeziehungen. Die Täuschung wirkt zwar sehr gut, spricht aber nur die Männchen einer ganz bestimmten Bestäuberart an. Für alle anderen Insekten ist die Orchidee uninteressant.
DeR LOHN DER Spezialisierung
Zusammen mit Kollegen aus Italien, Südafrika und der Schweiz beobachtete Cozzolino 31 Orchideen-Arten mit verschiedenen Bestäubungsmechanismen. Welchen Vorteil hat es, eine Täuschblüte zu sein? Das Team kam zu dem Schluss: Betrügerische Orchideen haben eine bessere „Pollentransport-Effizienz”. Das bedeutet: Die Wahrscheinlichkeit, dass der Pollen sein Ziel tatsächlich erreicht, ist wesentlich größer, wenn sich die Orchidee auf einen Bestäuber spezialisiert hatte. „Ehrliche” Blüten dagegen locken meist viele verschiedene Bestäuber an, die wiederum wahllos unterschiedliche Blüten besuchen. Das birgt für die Pflanze das Risiko, dass der Bestäuber den Pollen zur Blüte einer anderen Art trägt oder schlicht und einfach unterwegs verliert.
„Die Spezialisierung ist wichtig, da nur dadurch gewährleistet ist, dass der Pollen auf eine Blüte derselben Art übertragen wird” , bestätigt Manfred Ayasse, Professor am Institut für Experimentelle Ökologie an der Universität Ulm. In Experimenten konnten Ayasse und andere Wissenschaftler nachweisen, dass sich sexuell betrügerische Orchideen-Arten durch minimale Veränderungen ihrer duftenden Lockstoffe sehr präzise auf neue Bestäuberarten spezialisieren können. Offenbar reicht es aus, das Duftbouquet der Blume in kleinen biochemischen Details zu verändern, damit sie für einen neuen Bestäuber interessant wird. Es deutet sich ein enormer Spielraum für evolutive Prozesse an: Eine Orchidee produziert einen veränderten Lockstoff, der ein neues Insekt anspricht. Dadurch entgeht sie der Konkurrenz mit anderen Orchideen um die begrenzte Zahl der Bestäuber. Gleichzeitig kreuzt sie sich nicht mehr mit den Pflanzen ihrer Art – ideale Bedingungen, um evolutiv getrennte Wege zu gehen.
„Durch die hohe Spezifität bezüglich der Bestäuber können Artbildungsprozesse sehr schnell ablaufen”, bekräftigt Ayasse. Wie er und Cozzolino vermuten viele Wissenschaftler, dass in der Beziehung zum Bestäuber – möglicherweise sogar direkt im Betrug am Bestäuber – der Schlüssel zum Verständnis der Orchideenvielfalt liegt.
DIE CHANCE DES ZUFALLS
Aber das Thema gibt weiterhin Rätsel auf: Etwa 40 Prozent aller Orchideen-Arten nutzen mehr als einen Bestäuber. Die Spezifizierung allein kann die Entstehung von 24 000 Orchideen-Arten also nicht erklären. Manch ein Evolutionsbiologe macht deshalb den Zufall verantwortlich: Orchideen sind Einzelgänger. Wegen ihrer besonderen Bedürfnisse bei der Keimung – der richtige Pilz, ein nährstoffarmes Habitat – wachsen nur selten mehrere Pflanzen auf engem Raum beieinander. Möglicherweise werden kleine Gruppen oft räumlich so weit voneinander getrennt, dass sie sich unabhängig voneinander fortpflanzen. Durch Zufall könnten sich manche Merkmale in der einen Gruppe durchsetzen, die in der anderen verloren gehen. Im Laufe der Zeit könnten aus den beiden Gruppen so zwei verschiedene Arten entstehen. Der Mechanismus dahinter wird in Fachkreisen als „genetische Drift” bezeichnet.
Zufall oder Bestäuber – wahrscheinlich spielte beides eine Rolle für den Erfolg der Orchideen. Alle Arten sind eingewoben in ein Netz aus Beziehungen zu anderen Organismen. Damit haben Orchideen den Lauf ihrer Evolution zum Teil in fremde Hände übergeben. Das entzieht sie dem Griff der Wissenschaft. So leicht lässt sich eine Orchidee ihr Geheimnis nicht entlocken. ■
MARIA BONGARTZ ist Molekularbiologin und erforscht die Genetik von Pflanzen. Der Artikel entstand nach ihrem Praktikum bei bdw.
von Maria Bongartz
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Ausstellung
Das Staatliche Museum für Naturkunde Stuttgart zeigt ab 24. Oktober 2012 die Sonderausstellung ORCHIDEEN – VIELFALT DURCH INNOVATION Öffnungszeiten und weitere Informationen: www.naturkundemuseum-bw.de
Kompakt
· 24 000 Orchideen-Arten wurden bisher beschrieben, und ständig entdecken Forscher neue.
· Um hoch oben auf den Bäumen im Hellen leben zu können, brauchen Orchideen Pilze, die ihnen von der Wurzel her Nahrung spenden.
· Ihre Bestäubung vertrauen sie Insekten an – und spezialisieren sich häufig auf bestimmte Arten.
Bedrohte Vielfalt
So erfolgreich das Modell „Orchidee” im Laufe der Evolution war – die einzelne Art ist selten weit verbreitet und tritt so gut wie nie massenhaft auf. Der Grund für das spärliche Vorkommen dieser Pflanzen: Jede Art hat ihre besonderen Ansprüche. Vom Boden und seiner Pilzgemeinschaft bis zum Bestäuber – Orchideen sind wählerisch. Indem der Mensch die seltenen Biotope zunehmend für sich nutzbar macht, wird es für die Orchideen eng.
Die Folge: Weltweit gelten Orchideen als „besonders geschützt” . Aber auch die Ausbeutung der natürlichen Standorte durch illegale Händler ist nach wie vor ein Problem. Seit den 1970er-Jahren dürfen Orchideen nicht mehr ohne entsprechende Genehmigung aus ihrem Herkunftsland befördert werden. Das gilt auch für künstlich vermehrte Pflanzen, die am Urlaubsort als Souvenir gekauft wurden. Nach Angaben des Bundesamtes für Naturschutz werden an deutschen Grenzen von den Zollbehörden jährlich rund 1000 Exemplare lebender Orchideen eingezogen. Bernd Treder, Präsident der Deutschen Orchideen-Gesellschaft, gibt jedoch zu bedenken: „Die Beschlagnahmung der in Deutschland eingeführten Orchideen durch den Zoll nützt diesen Pflanzen nicht mehr. Standortschutz hat an Ort und Stelle zu erfolgen.”
In Deutschland widmen sich Naturschützer dieser Aufgabe. „ Orchideenschutz ist hierzulande vor allem Landschaftspflege”, sagt Andrea Kockler vom BUND Trier-Saarburg. Die Kreisgruppe des Naturschutzbundes pflegt im Naturschutzgebiet Perfeist bei Wasserliesch eine Orchideenwiese mit über 20 natürlich vorkommenden Orchideen-Arten, darunter äußerst seltene wie das Brandknabenkraut.
Käufliche Orchideen
Wer sich mit einer Orchidee einen Hauch Exotik nach Hause holen will, braucht kein schlechtes Gewissen zu haben. Dank der Vermehrung durch Gewebekultur in riesigen Zuchtfabriken können Orchideen heute schon für ein paar Euro angeboten werden. Die Naturstandorte werden dadurch nicht mehr beeinträchtigt. Die in Deutschland käuflichen Orchideen sind fast alle Züchtungsformen der Gattung Phalaenopsis, der Schmetterlingsorchidee. Spezialgärtnereien bieten Nachzuchten von bis zu 1000 verschiedenen Orchideenarten an.
