1.1 Vorwort - Ihre Homepage bei Arcor
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1. Theoretischer Teil 1.1 Vorwort In der Natur gilt stets das Prinzip vom „Fressen und gefressen werden“. Betrachtet man angesichts dieses Prinzips die Pflanzenwelt, denkt man zunächst nur an das „Gefressenwerden“ dieser. Eine kleine Gruppe von Pflanzen aber musste sich an nährstoffarmen Boden anpassen und entwickelte somit die Fähigkeit kleine Lebewesen, wie zum Beispiel Spinnen und Fliegen zu fangen und zu verdauen, um ihren Nährstoffhaushalt zu sichern. Dies ist eine seltene Eigenschaft dieser Pflanzen, die die Karnivoren für uns Menschen so interessant machen. Eine spezielle fleischfressende Pflanze hat zudem noch eine weitere, im Pflanzenreich, einzigartige Fähigkeit. Die Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) schließt ihre komplex aufgebauten, fallenartigen Klappblätter nach mehrfacher Berührung der Fühlborsten an den Innenseiten der Klappblätter und ist somit in der Lage, durch schnelles Zuklappen der Fallen Insekten zu fangen. Diese Klappbewegung der Venusfliegenfalle ist eine der schnellsten Bewegungen, die im Pflanzenreich bekannt ist, weswegen die Venusfliegenfalle auch die bekannteste fleischfressende Pflanze ist. Schon Charles Darwin war von der Venusfliegenfalle begeistert und bezeichnete sie wegen ihrer «Rapidität und der Kraft ihrer Bewegungen [als] eine der wunderbarsten [Pflanzen] in der Welt». Da es schwer vorzustellen ist, dass meine Balkonpflanze Tiere fangen und verdauen kann, möchte ich das Verhalten der Venusfliegenfalle in Bezug auf ihre karnivore Eigenschaft näher untersuchen. Daher stellen sich also die Fragen: Wie kann eine Pflanze so schnelle Bewegungen ausführen, ohne im Besitz von Nerven zu sein, wie andere Lebewesen? Was löst die Reaktion eigentlich aus? Wie kann ein Blatt Insekten verdauen? Um diese Fragen näher zu beleuchten werde ich in der folgenden Ausarbeitung Experimente mit eigenen Venusfliegenfallen durchführen und mithilfe mikroskopischer Untersuchungen die Pflanze genauer studieren. 1 1.1 Pflanzenmerkmale Dionaea muscipula ist eine monotypische, zweikeimblättrige, mehrjährige, rosettenbildende Pflanze, die zu der Familie der Sonnentaugewächse zählt. Ihr Durchmesser beträgt zwischen ca. 15-30cm. Am Ende ihrer Blätter bildet sie einen 3-4cm großen Fangapparat aus, der als „Falle“ bezeichnet wird. Die Venusfliegenfalle deckt ihren Nährstoffhaushalt, indem sie Insekten, wie z.B. Spinnen und Ameisen mit ihren Fallen fängt und anschließend „verdaut“. Während den Wintermonaten besitzt die Venusfliegenfalle nur kleine und inaktive Fallen, die aber im Laufe des Frühlings wieder zu aktiven, großen Fallen ausgebildet werden. Die Wurzeln dienen der Pflanze lediglich zur Wasseraufnahme und Verankerung, eine Nährstoffaufnahme durch diese findet jedoch nicht statt. D. muscipula kann trotz kompletter überirdischer Zerstörung, wie z.B. durch Waldbrände oder leicht frostige Winter, wieder neu austreiben, da sie in ca. 10-15cm Tiefe ein Rhizom (Wurzelstock) besitzt, das ein Wiederaustreiben des oberirdischen Teils ermöglicht. Diese Pflanze kommt in freier Wildbahn lediglich in den Moorgebieten rund um die Stadt Wilmington, an der Ostküste der USA, vor. Wegen ihrer Beliebtheit wurde sie aber auf der ganzen Welt verbreitet. 1.1.1 Blätter Das Blatt der Venusfliegenfalle besteht hauptsächlich aus zwei Teilen (Abb.1). Zum einen aus dem verbreiterten Blattstiel (a) und zum anderen aus der Blattspreite am Ende des Blattes (b). Diese Blattspreite besitzt links und rechts jeweils eine Blatthälfte, die am Ende „zahnartige“ Randborsten aufweist. Die zwei Blatthälften können sich schließen und somit Beutetiere einsperren. Im fangbereiten, geöffneten Zustand sind die „Fangblätter“ konvex, im geschlossenen Zustand, konkav gekrümmt. Jede Blatthälfte besitzt 3, in einem Dreieck angeordnete, Fühlborsten, die die Auslöser des Klappmechanismus 2 darstellen (Abb.2). Dieser Klappmechanismus wird in dieser Arbeit mithilfe von Versuchen näher untersucht. Am Blattrand, vor den Randborsten, befinden sich Drüsen, die Nektar zur Anlockung der Insekten produzieren. Einen zusätzlichen Reiz für Insekten, stellt die rotgefärbte Blattinnenseite dar. Die sonst grüne Blattinnenseite färbt sich erst durch genügend Sonneneinstrahlung rot. Über die ganze Innenseite des Blattes sind bestimmte Drüsen verteilt, die Verdauungssekrete produzieren, damit die Beutetiere in die Bestandteile zersetzt werden, die die Venusfliegenfalle für ihre Nährstoffversorgung benötigt. Der Schließmechanismus der Venusfliegenfalle wird später anhand der Versuche näher erläutert. 2. Praktischer Teil Im Folgenden werde ich die praktische Arbeit, die ich zur Erforschung der Venusfliegenfalle betrieb, näher beschreiben. 2.1 Mikroskopisches Praktikum Um den Aufbau der Fallen von D. muscipula näher zu untersuchen, habe ich Querschnitte der Fangblätter und zum Vergleich Querschnitte des Blattstiels mikroskopiert. Da die Fühlborsten essentiell für die mechanische Reaktion der Fallen sind, habe ich auch von diesen mikroskopische Aufnahmen angefertigt. 2.1.1 Durchführung Zunächst trennte ich von einer Venusfliegenfalle ein komplettes Blatt ab, d.h. Blattstiel inkl. Falle. Mit einer Rasierklinge stellte ich jeweils Querschnitte vom Fangblatt und Querschnitte vom Blattstiel her. Ebenso fertigte ich einen Schnitt an, der die Innenseite der Falle zeigt. Um den Aufbau einer Fühlborste darzustellen, trennte ich diese mit einer Rasierklinge von der Falle und mikroskopierte sie. Durch die PC-Kamera konnte ich Aufnahmen der mikroskopierten Blattteile auf den PC übertragen und diese Bilder abspeichern. 3 2.1.2 Beobachtung Die entstandenen Bilder zeigen den Blattaufbau des Fangblattes: 1. Querschnitt Fangblatt 1 a) chloroplastenreiche Außenschicht b) chloroplastenarme Mittelschicht c) violett-pigmentierte Verdauungsdrüsen d) chloroplastenhaltige Innenschicht 2. Querschnitt Fangblatt 2 4 a) chloroplastenreiche Außenschicht b) chloroplastenarme Mittelschicht c) violett-pigmentierte Verdauungsdrüsen 3. Querschnitt Fangblatt (Mittelschicht – Verdauungsdrüsen) a) violett-pigmentierte Verdauungsdrüsen b) chloroplastenfreie Epidermis c) chloroplastenreiche Außenschicht d) chloroplastenarme Mittelschicht 4. Oberfläche von Innenseite des Fangblattes 5 a) violett-pigmentierte Verdauungsdrüsen 5. Querschnitt Blattstiel a) ... b) ... c) ... 6. Aufnahme einer Fühlborste 6 a) Basis b) Gelenkzone c) Zone flacher Zellen d) Endborstenzellen (harte Zellwände) 7. Fühlborste – Vergrößerung der unteren Hälfte a) Basis b) Gelenkzone 7 c) Zone flacher Zellen d) Endborstenzellen (harte Zellwände) 2.2 Versuche mit dem Klappmechanismus der Venusfliegenfalle Dass die Venusfliegenfalle auch bei Berührung der Innenseite einer Falle mit dem Finger schließt, ist allgemein bekannt und wurde schon oft getestet. Nun möchte ich aber untersuchen, weshalb und vor allem wann, also durch welchen Reiz, die Falle schließt. Hierzu habe ich mehrere Versuche durchgeführt, in denen ich auf verschiedene Arten die Fallen gereizt habe. Neben den Gründen, weshalb die Falle schließt, habe ich auch beobachtet, wie lange die Falle geschlossen ist und ob sie komplett schließt und Verdauungssekret bildet. 2.2.1 Aufbau In allen Versuchen benutzte ich meine drei Venusfliegenfallen als Versuchsobjekte. Um die Fühlborsten künstlich zu reizen, benutzte ich einen Zahnstocher, welcher dünn genug war, sodass ich einzelne Fühlborsten berühren konnte. Ich hielt den Zeitpunkt der Versuche und die Zeitpunkte des Öffnens der Falle fest. In den folgenden Versuchsbeschreibungen werden lediglich Zusätze und Abweichungen der obigen Bedingungen aufgeführt. Versuch 1: Eine der drei Fühlborsten einer Blatthälfte wird einmalig mit einem Zahnstocher berührt. Pflanze 1: 08.05.07, 21:10 keine Reaktion der Falle Pflanze 2: 08.05.07, 21:11 keine Reaktion der Falle Pflanze 3: 09.05.07, 07:05 keine Reaktion der Falle Versuch 2: Eine der drei Fühlborsten einer Blatthälfte wird zwei mal kurz nacheinander (<10sek.) mit einem Zahnstocher berührt. 8 Pflanze 1: 08.05.07, 21:15 Falle schließt Falle offen 09.05.07, 06:45 Pflanze 2: 09.05.07, 14:12 Falle schließt Falle offen 10.05.07, 01:16 Pflanze 3: 11.05.07, 16:03 Falle schließt Falle offen 12.05.07, 06:10 Bei keiner der drei Pflanzen formte sich die Falle zu einem „Magen“. Versuch 3: Zwei verschiedene Fühlborsten einer Falle werden einmalig kurz nacheinander (<10sek.) berührt. Pflanze 1: 13.05.07, 15:46 Falle schließt Falle offen 13.05.07, 23:50 Pflanze 2: 13.05.07, 15:50 Falle schließt Falle offen 14.05.07, 07:33 Pflanze 3: 13.05.07, 16:15 Falle schließt Falle offen 14.05.07, 07:33 Bei keiner der drei Pflanzen formte sich die Falle zu einem „Magen“. Versuch 4: Zwei verschiedene Fühlborsten einer Falle werden einmalig nacheinander (ca. 30sek.) berührt. Pflanze 1: 17.05.07, 16:59 Falle schließt Falle offen 18.05.07, 09:59 Pflanze 2: 17.05.07, 17:00 Falle schließt Falle offen 18.05.07, 09:59 Pflanze 3: 17.05.07, 17:07 keine Reaktion der Falle Es formte sich keine der schließenden Fallen zu einem „Magen“. Versuch 5: Zwei verschiedene Fühlborsten einer Falle werden einmalig nacheinander (ca. 35sek.) berührt. Pflanze 1: 18.05.07, 16:27 keine Reaktion der Falle Pflanze 2: 18.05.07, 16:30 Falle schließt Pflanze 3: 18.05.07, 16:32 keine Reaktion der Falle Falle offen 19.05.07, 01:04 9 Versuch 6: Es wird eine bereits tote Fliege mit einer Pinzette in eine geöffnete Falle gelegt. Pflanze 1: 18.05.07, 14:44 Falle schließt Falle offen 19.05.07, 07:05 Pflanze 2: 14.05.07, 16:17 Falle schließt Falle offen 15.05.07, 13:55 Pflanze 3: 15.05.07, 20:03 Falle schließt Falle offen 16.05.07, 14:06 Bei keiner der drei Pflanzen formte sich die Falle zu einem „Magen“. Versuch 7: Eine lebende Fliege wird gefangen und mit einer Pinzette in eine Falle gelegt. Pflanze 1: 18.05.07, 14:13 Falle schließt Falle offen 27.05.07, 22:15 Pflanze 2: 12.05.07, 11:15 Falle schließt Falle offen 17.05.07, 15:23 Pflanze 3: 12.05.07, 11:21 Falle schließt Falle offen 19.05.07, 18:43 Alles Pflanzen schließen sich komplett zu einem „Magen“. Versuch 8: Ein Stück Hackfleisch wird in eine Falle gegeben. Pflanze 1: 20.05.07, 15:30 Falle schließt Pflanze 2: 20.05.07, 15:33 Falle schließt Pflanze 3: 20.05.07, 15:35 Falle schließt 10 3. Ergebnisse und Auswertung des praktischen Teils 3.1. Mikroskopisches Praktikum Falle: Die verschiedenen Blattabschnitte sind im Querschnitt der Falle (1) & (2) gut zu erkennen. Das Fangblatt ist in drei Schichten aufgebaut: Die äußerste Schicht (a) ist dunkelgrün, was auf einen starken Chloroplastenanteil der Zellen hinweist. Durch diese Vielzahl an Chloroplasten in den Zellen der äußeren Schicht, kann sie viel Fotosynthese betreiben. Die mittlere Schicht (b) hingegen weist kaum Chloroplasten auf. Vermutlich ist ihre Funktion, durch stark wassergefüllte Vakuolen, einen starken Zelldruck aufrecht zu erhalten, den die Falle für ihre angespannte „Wartehaltung“ benötigt. Im offenen Zustand sind die Fangblätter konvex geformt, wozu sie einen enormen Druck aufbauen müssen. Dies ist auch der Grund, weshalb die Fallen beim Öffnen im Vergleich zum Schließen so viel Zeit benötigen, da das Öffnen der Fallen mit einem Druckaufbau und Zellwachstum verbunden ist. In dieser Mittelschicht sind also die Vakuolen der Zellen die charakterisierenden Organellen, welche dieser Schicht ihre Bedeutung verleihen. Die Innenschicht (d) enthält ebenfalls Chloroplasten, wie die Außenschicht, jedoch nicht in jener Anzahl, was in Querschnitt 2 klar wird. Zudem ist sie dünner, als die außenliegende Schicht. Als ich die Falle mikroskopierte fielen mir violette „Zellhäufchen“ an der Innenseite der Falle auf. Für mich war klar, dass diese für die Rotfärbung der Blattinnenseiten verantwortlich sind. Jedoch kommt diesen „Zellhaufen“ noch eine ganz andere Bedeutung zu. Diese Zellen stellen die Drüsen dar, die bei komplett geschlossener Falle Verdauungssekrete abgeben. Diese sind notwendig, damit die Beute in die Teile zersetzt wird, die für die Pflanze auch nutzbar sind. Diese Verdauungsdrüsen 11 geben zwar Substanzen ab, jedoch können sie auch Substanzen aufnehmen. Diese müssen in Form von kleineren Moleküleinheiten vorliegen, also nicht als Makromoleküle, wie Proteine. Die von den Verdauungsdrüsen ausgeschiedene Flüssigkeit enthält also Enzyme, die diesen Spaltungsprozess vornehmen. Unter diesen fand man Phosphatasen, Amylasen, Esterasen, Ribonukleasen und vor allem Proteasen. Die wichtigsten Enzyme hierbei stellen die Phosphatasen und die Proteasen dar. Sie ermöglichen die Spaltung von Proteinen und Phosphorsäureestern in Aminosäuren und Phosphorsäuren, die sonst von Pflanzen durch ihre Wurzeln aus dem Boden in Form von Nitrat und Phosphat entnommen werden. Diese Stoffe sind vor allem für den Aufbau von Proteinen (bestehend aus Aminosäuren) und für wichtige Moleküle, wie die Desoxyribonucleinsäure zur Speicherung von Erbinformationen oder des Adenosintriphosphats (ATP) als „Energielieferant“ der Zelle, wichtig. Bei der Betrachtung von 5. Querschnitt Blattstiel fällt deutlich auf, dass das Blattteil bis zum Fangapparat (Abb.1 a)) einen komplett anderen Aufbau hat. Was bei diesem mikroskopischen Querschnitt eindeutig dominiert sind die grünen Blattteile, die Chloroplasten enthalten. Vor allem die innere Blattschicht (b) zeigt eine dunkelgrüne Färbung, was auf einen starken Chloroplastenanteil der Zellen in dieser Schicht hinweist. Die zwei äußeren Schichten sind hingegen heller gefärbt. Diesen Beobachtungen zufolge scheint der Hauptort der Fotosynthese in der inneren Blattschicht (NAME ABBILDUNG) zu liegen. Durch die komplette Grünfärbung des Blattquerschnitts und der geringen Unterschiede der einzelnen Blattschichten ist zu vermuten, dass die Blattstiele der Venusfliegenfalle die Orte mit dem höchsten Fotosyntheseanteil der Pflanze sind. Im Querschnitt des Blattstiels ist keine chloroplastenfreie Schicht zu erkennen. Auch die roten Verdauungsdrüsen sind nur auf der Falle zu finden. Man kann also behaupten, dass die Verdauungsdrüsen und die chloroplastenfreie Innenschicht eine charakteristische Eigenschaft der Blattspreiten sind. Im Laufe der Evolution haben sich also Blattteile von D. muscipula zu komplexeren Blattteilen ausgebildet, die in der Lage waren, durch Bewegungen Insekten zu fangen und diese zu verdauen. Diese Veränderung der Blattteile ist nicht nur optisch erkennbar, sondern auch im Aufbau und in der Funktion. 12 Fühlborste: Auf den mikroskopischen Aufnahmen 6. & 7. ist eine der drei Fühlborsten einer Falle zu erkennen. Da man in 6 kaum einzelne Zellen erkennen kann, fertigte ich in 7 eine Großaufnahme der unteren Hälfte einer Fühlborste an. Mithilfe der Abbildung !!!! konnte ich den Borstenaufbau näher bestimmen. Die Beschriftungen der linken Abbildung entsprechen denen meiner mikroskopierten Borstenteile in 6. & 7.. Die untersten Zellen stellen die Basis der Borste dar und sind in räumlich gleichmäßiger Form, also parenchymatisch, angeordnet. Die Gelenkzone b) besitzt außen große rechteckige Zellen, innen hingegen kleine langgezogen, rechteckige Zellen. Die darauffolgende schmale Zone c) besteht aus sehr flachen und kleinen Zellen. Die letzte und längste Zone d) besteht aus den Endborstenzellen. Diese Zellen sind sehr hart, da sie einen hohen Zelluloseanteil in ihren Zellwänden besitzen. Durch diese harte Endborsten gelangt der mechanische Reiz, z.B. ein Umknicken der Borste durch einen Zahnstocher, bis zur Gelenkzone. In dieser Zone wird der eigentliche Reiz ausgelöst, der die Falle zum Schließen bringt. Die großen äußeren Zellen der Gelenkzone werden durch das Umknicken der Fühlborste gestaucht und gedehnt. Durch den mechanischen Reiz findet eine Änderung des Membranpotentials einer Endodermiszelle der Gelenkzellen von -160mV auf – 50mV statt, wodurch ein elektrisches Potential frei wird, also ein Rezeptorpotential. 13 3.2 Versuche mit dem Klappmechanismus der Venusfliegenfalle Anhand der durchgeführten Versuche mit D. muscipula konnte man einige Rückschlüsse über das Verhalten und Reizbarkeit der Fallen ziehen. Bereits bei den Versuchen 1 wurde deutlich, dass ein einzelner Reiz einer Fühlborste keine Reaktion hervorruft. Erst zweifache Berührungen von einer oder zwei verschiedenen Fühlborsten innerhalb kurzer Zeit (<10sek.), wie in den Versuchen 2 & 3, verursachten ein Schließen der Falle. Die Pflanze bedient sich dieses Tricks, da es für sie einen enormen Energieverlust darstellen würde, wenn sie schon bei einer einfachen Reizung, wie bei einem Regentropfen oder einer Windböe, schließen würde. Sie hätte Energie investiert, ohne einen Gewinn daraus zu ziehen. Somit wird erst bei einer Reizung durch ein potentielles Beutetier, also einer mehrfachen Reizung der Fühlborsten, ein Schließen der Falle verursacht. Ein weiterer zu beobachtendender Punkt war, dass die Fallen sich nicht komplett schlossen und sich somit auch nicht zu einem abgeschlossenen Hohlraum, einem „Magen“, formten. Sie öffneten sich bereits nach einem Zeitraum von 8 bis 16 Stunden. Hieraus kann man schließen, dass eine Reizung durch einen Gegenstand zwar ein Schließen verursacht, jedoch nicht automatisch ein Formen des Blattes zu einem dichten Hohlraum. In den Versuchen 4 & 5 kann man erkennen, dass sich bei einem Reizungsabstand von 30 bis 35 Sekunden eine Schwelle befindet, was das Schließen der Fallen anbelangt. Bei diesen Versuchen gab es kein eindeutiges Ergebnis, d.h. manche Fallen schlossen, manche nicht. Auch hier schloss sich keine der Fallen komplett und die Öffnungszeiten der Fallen betrugen zwischen 8 und 17 Stunden. Wenn also eine Fühlborste nach weniger als ca. 30 Sekunden zum zweiten Mal gereizt wird, schließt sich die Falle mit hoher Wahrscheinlichkeit. Um zu erkennen, ob es einen Unterschied macht, wenn man die Fallen anstatt mit einem Zahnstocher mit Fliegen reizt habe ich in den Versuchen 6 & 7 Fliegen in die Fallen gegeben. In Versuch 6 schließt die Falle bei Zugabe einer toten Fliege, jedoch bildet sich auch hier, trotz Zugabe eines ihrer natürlichen Beutetiere, kein Hohlraum mit Verdauungssekret. Die Fallen öffnen sich hier nach etwa 16 bis 22 Stunden. Es wäre zu erwarten gewesen, dass die Falle, durch das Fangen eines ihrer 14 Beutetiere, einen „Magen“ formt und durch Ausscheidung von Verdauungssekret die Fliege zersetzt. Obwohl die Pflanze durch die Zersetzung der toten Fliege einen Nährstoffgewinn erzielen würde, tat sie es dennoch nicht. Nun stellt sich die Frage, wann denn nun eine Z ersetzung stattfindet. Dies konnte ich anhand des Versuches 8 klären. Wie in Abb. !!!!!!!! zu sehen, habe ich nun lebende Fliegen in die Fallen gegeben. Als Folge schloss sich die Falle und hielt die Fliege gefangen. Innerhalb einer halben Stunde formte sich aus der geschlossenen Falle ein komplett abgedichteter Hohlraum. Die Blatthälften pressten sich aneinander, sodass sie sich an der Nektarzone, vor den Randborsten, berührten. So verblieben die Pflanzen 5 bis 9 Tage, bis sie sich wieder öffneten. Von den Fliegen blieb der „unverdaute“ Rest, wie Chitinpanzer und Beine, übrig. Wo ist nun der Unterschied zwischen der Zugabe einer toten und der Zugabe einer lebenden Fliege? Ganz einfach: Die lebende Fliege bewegt sich noch in der Falle, obwohl sie schon geschlossen ist. Dadurch werden bei geschlossenem Zustand weiterhin die Fühlborsten gereizt. Dies ist der Auslöser für das komplette Schließen und die Produktion des Verdauungssekrets, das von den Verdauungsdrüsen an der Innenseite der Falle produziert wird. Es wird zusätzlich vermutet, dass Eiweißrezeptoren, an der Innenseite der Falle, den von den Fliegen 15 ausgeschiedenen Kot erkennen und zusätzlich ein Signal zur Verdauungssekretausscheidung abgeben. Durch diesen Vorgang stellt die Pflanze sicher, dass auch wirklich nur lebende, sich lohnende, Beute zersetzt wird. Mit dieser Funktion wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, Gewinnbringende Beute zu „verdauen“. Da in der Natur im Normalfall keine tote Fliege mit fremder Hilfe in eine Falle gerät, zersetzte die Pflanze auch die tote Fliege aus den Versuchen 6 nicht. Um zusätzlich zu verhindern, dass nichtlohnende Beute, wie eine sehr kleine Fliege, in die Falle gerät, ist selbst bei geschlossenem Zustand zwischen den Randborsten noch Platz für Kleinsttiere. Dies dient als Schutz vor hohem Energieaufwand, der in keiner Relation zum Nährstoffgewinn steht. 16
