Darwins "grässliches Geheimnis": Warum sind Orchideen so vielfältig?

Aber er konnte nicht aufhören, über eine zarte, weiße, sternförmige Blume nachzudenken, die er als Geschenk von seinem Bekannten James Bateman erhalten hatte, einem englischen Gärtner mit einer Vorliebe für seltene Flora aus Madagaskar. Die merkwürdige Form der Blume - mit einem sehr langen Nektarsack unter ihrer Krone - weckte in ihm eine tiefe, fast unerklärliche Faszination.

"Orchideen haben mich so sehr interessiert wie fast alles in meinem Leben", schrieb Darwin. In ihren Formen sah er eine weite Landschaft der Kräfte der selektiven Evolution, ein Spiel, das sie mit ihrer Umwelt und ihren Bestäubern spielten. "Meine kleinen Lieblinge", wie er Orchideen manchmal nannte, wurden sein Modell für weitere Erforschung der Kräfte, die er in The Origin of Species so breit beschrieben hatte. Nur drei Jahre nach der Veröffentlichung dieses bahnbrechenden Werkes hatte er sein Werk über die vielfältigen, beeindruckenden Gewohnheiten von Orchideen veröffentlicht: "Über verschiedene Vorrichtungen, durch die britische und ausländische Orchideen von Insekten bestäubt werden", und "Über die guten Auswirkungen des Kreuzens".



Wie eine einzige Familie von Blumen so variabel sein konnte - von klein und verspielt, fast unsichtbar, bis hin zu groß und schrill, mit einer vorderen Tasche - das brachte Darwin ins Grübeln. Er nannte dies und die Vielfalt der Blumen insgesamt ein "grässliches Geheimnis". Tatsächlich gibt es weltweit mehr als 28.000 Orchideenarten und immer wieder neue Arten, manchmal sogar direkt vor unserer Nase. Sie haben sich auf allen Kontinenten außer der Antarktis angesiedelt - vom nördlichen Polarkreis über den Äquator bis in den Süden, mit Ausnahme der Spitze Südamerikas.

"Ich denke, der Grund, warum die Menschen von ihnen besessen sind, liegt darin, dass sie ein Mysterium sind: Warum gibt es so viele?", sagt Jamie Thompson, ein Forscher für Lebenswissenschaften an der Universität Bath im Vereinigten Königreich. Die wissenschaftliche Jury ist jedoch immer noch uneinig und debattiert leidenschaftlich darüber, wie viele Arten es genau gibt, welches Geheimnis sie so brillant in ihrer Vielfalt macht und wann und wo Orchideen überhaupt entstanden sind. Die Lösung dieser Rätsel könnte uns helfen, die evolutionäre Dynamik dieser großen Gruppe faszinierender Pflanzen besser zu verstehen und ihnen zu helfen, der bevorstehenden Dezimierung entgegenzuwirken.

Um Antworten zu finden, haben Forscher jahrzehntelang die Vergangenheit der Orchideen erforscht. Fossilienaufzeichnungen sind für Pflanzen oft schwer zu bekommen, da weiche Organik weniger wahrscheinlich konserviert wird als zum Beispiel Knochen. Um herauszufinden, wann eine Pflanze erstmals auf diesem Planeten erschien, verlassen sich Experten heute eher auf phylogenetische Profile: Sie verwenden DNA von verschiedenen Arten, um sie auf einen Stammbaum des Lebens zu übertragen, und verwenden dann ein statistisches Modell, um sie in die Vergangenheit zurückzubringen und ihre Geschichte zu rekonstruieren.

Als Forscher im Jahr 2015 diese Technik verwendeten, um 39 Arten aus allen wichtigen Orchideengruppen zu sequenzieren, sowie Daten aus einigen Fossilien, ergaben ihre Ergebnisse, dass Orchideen zwischen 102 und 120 Millionen Jahren, wahrscheinlich in Australien, entstanden sind.1 Antike Orchideen breiteten sich dann in die Tropen aus, indem sie sich ihren Weg durch die damals mit Vegetation bewachsene Antarktis bahnten. Und seitdem hat die meiste Speziation in Südostasien stattgefunden.

Oder zumindest ist das derzeit die führende Theorie über die Herkunft der Orchideen. Diese könnte jedoch bald durch neue vorläufige Ergebnisse in Frage gestellt werden. Ein internationales Forscherteam hat eine Studie mit DNA von mehr als 1.900 Orchideenarten erstellt und ihren Ursprung im Norden in Laurasia, dem heutigen Europa, Asien und Nordamerika festgelegt. Die meisten Diversifikationen haben laut ihrer Arbeit erst in den letzten 5 Millionen Jahren stattgefunden und das südliche Mesoamerika, wie das üppige Costa Rica und Panama, beheimatet tatsächlich die schnellste Speziation von Orchideen.

Dieser im September auf einer Preprint-Website veröffentlichte Artikel wurde noch nicht von Fachkollegen begutachtet, und einige externe Experten halten diese neue Hypothese für nicht besonders gut. Aber Oscar Pérez-Escobar, der Hauptautor der Studie und Forscher am Royal Botanic Gardens, Kew im Vereinigten Königreich, hält seine Ergebnisse überhaupt nicht für umstritten. "Das Verständnis, woher etwas kommt, kann uns helfen zu verstehen, warum wir Art X oder Y haben und warum es so viele gibt", sagt Pérez-Escobar.

Heute benötigt man eine lange Logbuch, um die aktuelle Vielfalt der Orchideen in Erscheinungsbildern und Gewohnheiten zusammenzufassen. "Es gibt eine Reihe von Innovationen, die Orchideen erreichen können, die anderen Pflanzen nicht oder nicht so gut gelingen", sagt Katharina Nargar, eine Orchideenforscherin an der James Cook University in Australien, die an der neuen Studie mitgewirkt hat.

Der eleganteste und hilfreichste dieser Tricks, so Nargar, ist die Tatsache, dass mehr als 70 Prozent der Orchideen die Fähigkeit entwickelt haben, aus Baumstämmen und Ästen zu wachsen, anstatt aus dem Boden - eine Fähigkeit, die als Epiphytismus bekannt ist. Dies ermöglicht es ihnen, neue Territorien zu nutzen, die andere Pflanzen nicht nutzen können, und gibt ihnen "vollkommene Freiheit", sagt Nargar. Studien legen nahe, dass Epiphytismus mindestens 14 Mal unabhängig voneinander im Orchideen-Stammbaum entstanden ist, und epiphytische Orchideen sind "signifikant artenreicher" als terrestrische, schreiben die Autoren einer Studie über ihre Vielfalt. Um in Bäumen erfolgreich zu leben, haben Orchideen die Fähigkeit entwickelt, Feuchtigkeit über eine saftige, schwammige äußere Schicht an ihrem Stängel und ihren Blättern aus der Luft aufzunehmen und ihre Wurzeln direkt zur Photosynthese zu nutzen. Die Taeniophyllum-Orchidee hat zum Beispiel überhaupt keine Blätter: Sie nutzt nur ihre Wurzeln, um sämtliche Energie aus der Sonne zu gewinnen.


Für Arten, die sich nicht entwickelt haben, um in Bäumen zu leben, liegt die andere Haupttheorie für ihre unerklärliche Fähigkeit zur Diversifizierung darin, wie spezialisiert ihre Blumen auf Bestäubung sind. Einige Orchideenarten sind die ultimativen Swinger - sie betreiben ihr Sexualleben sehr liberal und können fruchtbare Nachkommen mit Orchideen anderer Arten produzieren, was die Wahrscheinlichkeit der Fortpflanzung erhöht und dazu führt, dass sie oft einzigartige, neue Hybridspezies hervorbringen, sagen Nargar.

Um Bestäubung sicherzustellen, gehen einige Orchideen außerdem eine evolutionäre Vereinbarung mit der lokalen Fauna ein: Die Pflanze entwickelt eine so komplexe Blüte, dass nur bestimmte Insektentypen Zugang dazu haben, und diese Insekten bestäuben dann in der Regel nur andere Orchideen. Ein beeindruckendes Beispiel dafür ist Angraecum sesquipedale, die Orchidee, von der Darwin besessen war, sie hat eine 30 cm lange und schmale Tasche für ihren Nektar entwickelt, so dass nur der Nachtfalter mit seinem außergewöhnlich langen Rüssel darauf zugreifen kann. Obwohl Darwin bereits über diese Möglichkeit spekuliert hatte, war der Nachtfalter zu diesem Zeitpunkt noch nicht entdeckt worden, so dass seine Theorie erst fast vier Jahrzehnte später, im Jahr 1903, bestätigt wurde.

Um ihre Fähigkeit, nur bestimmte Bestäuber aufzunehmen, weiter zu optimieren, sind Orchideen auch sehr darauf bedacht, wie sie ihre Pollengeschenke übergeben. Einige Orchideen bündeln ihren Pollen in maßgeschneiderten, dosierten, klebrigen Paketen und schleudern sie mit Präzision auf ihre bevorzugten Bestäuber, damit dabei keine Pollenkörner verschwendet oder verloren gehen, bis sie ihr Ziel erreichen. Diese Spezialisierung der Pollenverpackung gemäß den verfügbaren Bestäubern - möglicherweise eine Motte, möglicherweise eine Biene - hat auch die Diversifizierung vorangetrieben. Und es ermöglicht einer mutierten Orchidee eine höhere Chance, viele Nachkommen zu haben, weil weniger Pollen verschwendet wird als bei herkömmlich verteilten Körnern. Der Zweig des Orchideen-Stammbaums, der diesen Trick namens "Pollinien" entwickelt hat, weist eine höhere Artenbildung auf als Orchideen, die bei den traditionellen Pollenkörnern geblieben sind.

Um ihre Spezialisierung noch weiter zu treiben, haben einige Orchideen evolviert und imitieren das Aussehen, den Geruch und die Freisetzung spezieller Chemikalien des Geschlechtspartners ihres bevorzugten Bestäubers oder ihrer Lieblingsspeise.5 Ahnungslose Insekten erscheinen auf ihrer Blütenkrone in der Hoffnung, Glück zu haben, und werden dazu verleitet, anstelle des Blütenpollens den Pollen der Blume aufzunehmen. Die Orchideenart Ophrys apifera sieht aus und riecht wie weibliche Bienen. Die Hammerorchidee ähnelt unheimlich einer weiblichen Wespe. Die Orchidee Satyrium pumilum in Südafrika ahmt den Geruch von toten Tieren nach, um Fruchtfliegen anzulocken, während die Orchidee Disa pulchra vorgibt, andere Nektar-bietende Blumen wie die rosa Iris zu sein, um Insekten zu täuschen, die nach einer süßen Belohnung suchen. Da Bienen, Wespen und Schmetterlinge die List durchschauen würden, wenn sie zu häufig vorkommen würde, ist es möglich, dass dies zu einer möglichst großen Variation der Orchideen-Mimetik geführt hat, was die Entstehung vieler verschiedener Arten und Taktiken fördert.

Diese einzigartigen Strategien der Blumenmorphologie sind nach Dewi Pramanik, einer Orchideenmorphologieforscherin am Naturalis-Biodiversitätszentrum in den Niederlanden, "fundamental" für die Diversifizierung. Eine ihrer Favoritinnen ist die Serapias cordigera-Orchidee, die es geschafft hat, ihre haarige, burgunderfarbene Blume so zu formen, dass sie für die männliche Biene Hoplitis adunca wie ein bequemer Rastplatz aussieht, auf dem sie bequem zwischen den Futterausflügen pausieren kann und dabei versehentlich die Blume bestäubt.

Staubähnliche Samen gehören wahrscheinlich zum Repertoire der Orchideen für eine schnelle Diversifizierung. Ein einzelnes Orchideensamenpaket kann bis zu 4 Millionen Samen enthalten, manchmal so klein wie 0,05 mm - die kleinsten im Pflanzenreich -, so dass mit einem einzigen Windstoß viele Samen leicht verbreitet werden können. Obwohl die meisten dieser winzigen Samen nie keimen werden, erhöht diese winzige Samentechnik die Chancen auf Diversifizierung im Vergleich zu einer Pflanze mit einem robusten Samenanteil, da sich neue Pflanzen schnell an neuen Orten ansiedeln können, ohne zu viel Energie zu verbrauchen und sich dann schnell anpassen können.

Nach Thompson ist Orchiden-Exzellenz möglicherweise nicht allein auf Tricks der Pflanzen selbst zurückzuführen - auch externe Faktoren spielen eine Rolle. Als Thompson eine weitere phylogenetische statistische Analyse von knapp 1.500 terrestrischen Orchideenarten durchführte, ergaben seine Daten, dass ihre Diversifizierung "explodierte", als die Temperaturen auf der ganzen Welt vor etwa 10 Millionen Jahren zu sinken begannen.6 Der weltweite Temperaturrückgang hatte eine 700-mal höhere Wahrscheinlichkeit, den Diversifikationsprozess von Orchideen beeinflusst zu haben als nur die Zeit allein, sagt Thompson, was Orchideen zu "dem besten Beispiel für klimabedingte Speziation" macht.

Leider deutet dies auch auf zusätzliche Probleme hin, mit denen Orchideen angesichts des Klimawandels konfrontiert werden. "Ich denke, die Aussterberate wird steigen, denn viele von ihnen sind an Kälte angepasst, und wir haben dieses Jahr in Europa gesehen, wie heiß es war", sagt Thompson. Klimaveränderungen setzen Orchideen auch einem zusätzlichen Risiko aus, da sie sich stark auf einen Bestäuber spezialisiert haben, der aussterben oder aus seinem Lebensraum vertrieben werden könnte.

Gemäß ihrer evolutionären Geschichte sollten Orchideen weiterhin gedeihen und wir sollten weiterhin neue Arten entdecken. "Wenn man sich die Anzahl der beschriebenen Orchideenarten im Laufe der Zeit ansieht, zeigt es keine Anzeichen dafür, dass sie sich stabilisieren", so Thomas Givnish, Professor für Botanik und Umweltstudien an der University of Wisconsin-Madison, der die bahnbrechende Forschung zur Herkunft der Orchideen in Australien verfasst hat. Aber der menschengemachte Klimawandel und die Zerstörung des Lebensraums lassen für viele dieser Blumenarten eine andere Zukunft erahnen.

Einige Berechnungen legen nahe, dass Pflanzenarten mindestens 500 Mal schneller aussterben als vor 1900, wobei Orchideen an der Spitze der Bedrohungsliste stehen. Bangladesch hat seit 1996 32 seiner 188 identifizierten Orchideenarten verloren; in der Tschechischen Republik hat der geeignete Lebensraum für endemische Orchideen um bis zu 92 Prozent abgenommen; in Florida ist die Anzahl der berühmten Geisterorchideen (das begehrte Objekt von The Orchid Thief) um die Hälfte gesunken; Orchideen in Indien blühen früher als sie sollten und könnten die Bestäubung stören. Und laut einer in diesem Jahr veröffentlichten Studie benötigen fast 280 bekannte Orchideenarten "sofortige Schutzmaßnahmen", aber die meisten davon haben immer noch keinen angemessenen Schutz.

Wenn die meisten Diversifikationen in den letzten 10 bis 5 Millionen Jahren stattgefunden haben, könnte der rasche Verlust von Arten, den wir heute erleben, zu spät sein, um dem entgegenzuwirken, sagt Pérez-Escobar. "Wir sind sozusagen stecken geblieben", sagt er. "Wenn wir die Orchideen, die uns noch geblieben sind, nicht schützen, wird es Millionen von Jahren dauern, bis die Orchidenvielfalt wieder sprießen kann." Er ist auf einer Mission, um weitere internationale Zusammenarbeit zur Sammlung der DNA aller existierenden Orchideenarten zu erreichen - wie viele es auch immer sein mögen -, denn er glaubt, dass ihm das helfen wird, die evolutionäre Geschichte der Pflanze endgültig zu rekonstruieren.

Experten scheinen sich darin einig zu sein, dass der beste Weg, um Strategien zur effektiven Bekämpfung des Rückgangs der Orchideen zu entwickeln, darin besteht, die großen Fragen des "grässlichen Geheimnisses" zu beantworten: Was sind die Geheimnisse ihres Erfolgs bei der Speziation? Eine weitere genaue Untersuchung dieser Details zur Orchideenvielfalt kann es Naturschützern ermöglichen, sich auf ihre schnelle und wilde evolutionäre Plastizität zu konzentrieren, um ihnen hoffentlich eine Überlebenschance in einer sich schnell verändernden Welt zu geben.

Schließlich bemerkte auch Darwin selbst, dass Orchideen für ihn "herausragend nützlich" waren, um zu lernen, wie jedes noch so kleine Element, "sogar die geringsten Details der Struktur", irgendwie das Ergebnis der natürlichen Selektion sind. Wie er in einem Brief an einen Kollegen schreibt: "Die Schönheit der Anpassungen der Teile scheint mir beispiellos."