Unter den Regenwäldern Südamerikas lebt ein Pilz, der täglich 50.000 Blätter verzehrt, ohne jemals an die Oberfläche zu kommen. Es ist darauf angewiesen, dass Ameisen ihm Nahrung im Austausch gegen Nährstoffe bringen. Diese unwahrscheinliche Partnerschaft spielte in Sir David Attenboroughs neuer Wildlife-Serie The Green Planet eine Hauptrolle , jetzt auf BBC iPlayer verfügbar. Der Evolutionsbiologe Dr. Pepijn Kooij spricht mit Amy Barrett über diese besondere Beziehung.
Die Blattschneiderameisen verlassen sich auf ihren Pilz als Nahrung. Warum schalten sie nicht einfach den Zwischenhändler aus und essen die Blätter selbst?
Pflanzenmaterial zu verdauen ist selbst für uns Menschen ein schwieriger Prozess. Es ist eine schwierige Sache.
Denken Sie an Pflanzenfresser, Fleischfresser und Allesfresser und schauen Sie sich zum Beispiel die Länge ihrer Eingeweide an. Nimmt man einen Tiger – einen Fleischfresser – beträgt die Darmlänge etwa sechs Meter. Aber wenn Sie sich eine Kuh ansehen – das perfekte Beispiel für einen Pflanzenfresser – ist der Darm etwa 24 Meter lang, und Kühe haben auch mehrere Mägen. Es ist ein langer Prozess, Pflanzenmaterial zu verdauen, und Sie brauchen viele verschiedene Bakterien, die Ihnen dabei helfen.
Pflanzen haben diesen Abwehrmechanismus:eine riesige Zellwand um ihre Zellen herum, um sie vor dem Verzehr zu schützen. Es braucht viel Energie, um in den Pflanzen an die Teile zu gelangen, die wir eigentlich brauchen – den Stickstoff und die Proteine. Aber es gibt spezialisierte Organismen wie Bakterien [im Kuhmagen], die für diese Art von Arbeit entwickelt wurden. Für die Ameisen wollen sie diese Proteine, aber für die Insekten ist es sehr schwierig, sie tatsächlich zu extrahieren. Also lassen sie ihren Pilz helfen, in die Zelle einzudringen, dann ernähren sich die Ameisen von dem Pilz.
Aber braucht der Pilz das Protein nicht? Warum sollte es teilen?
Nun, der Pilz nimmt einige der Proteine auf, aber er hat diese Beziehung zu den Blattschneiderameisen entwickelt. Der Pilz bildet spezialisierte Organe, die wir Gongylidien nennen. In den Gongyliden befinden sich Fette und Proteine, die für die Ameisen nahrhaft sind. Die Ameisen fressen diese Gongyliden.
Aber auch der Pilz profitiert von dieser Beziehung. Normalerweise müssen Pilze Enzyme freisetzen, mit denen sie Pflanzen abbauen können, um die Nährstoffe aufzunehmen. Bei der Blattschneiderameisen-Partnerschaft füllt der Pilz seine Gongylidien mit Enzymen. Die Ameisen fressen diese Enzyme, wenn sie sich von den Gongyliden ernähren, aber sie können sie nicht verdauen, sodass sie immer noch aktiv sind, wenn die Ameisen sie ausscheiden.
Die Ameisen bringen neues Pflanzenmaterial in das Nest, legen es auf den Pilz und kacken dann darauf. Dadurch gelangen die Pilzenzyme genau dorthin, wo sie zum Abbau der Pflanzen benötigt werden. Der Pilz benutzt die Ameisen wie Lastwagen, um die Enzyme von einem Teil des Pilzes zu dem Ort zu transportieren, an dem sich das neue Pflanzenmaterial befindet.
Wenn Sie sich die erste Folge von The Green Planet ansehen , werden Sie feststellen, dass der Pilz wie eine große Kugel aussieht. Diese Kugel ist der Pilz, der aus dem sogenannten Myzel besteht.
Diese Organismen werden oft als Pilz-wachsende Ameisen bezeichnet, aber ich denke, Ameisen-wachsende Pilze könnten ein besserer Begriff sein.
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Ameisen-wachsende Pilze?
„Pilzzüchtende Ameisen“ ist also der Begriff, den die Royal Botanic Gardens, Kew, erstmals im späten 19. Jahrhundert für diese Ameisen verwendeten, die Pilze als ihre Hauptnahrungsquelle züchten. Ich habe versucht, den Blick mehr auf Ameisen wachsende Pilze zu lenken.
Dies ist ein Mutualismus, und ein Mutualismus hat einen Vorteil für beide [Parteien]. Zu sagen, dass die Ameisen den Pilz züchten, ist ein bisschen einseitig. Natürlich bringen sie die Blätter herein und sie züchten den Pilz darauf. Aber der Pilz leitet und erteilt den Ameisen irgendwie auch Anweisungen, indem er chemische Kommunikation verwendet. Man könnte es also auch als Ameisen-wachsenden Pilz sehen.
Es ist, als ob der Pilz die Ameisen benutzt, ähnlich wie Rinder. Wenn man das System so sieht, wirft das viele verschiedene Fragen auf. Unsere Forschung versucht, dieses ganze System zu entwirren, um zu sehen, wie es funktioniert. Denn am Ende ist es ein Mutualismus und man könnte das sogar als einen großen Organismus sehen.
Auf die gleiche Weise haben wir Menschen viele Bakterien in unserem Darm, aber wir sehen uns immer noch als ein System. Wir würden nicht sagen, dass wir ein Mensch und Bakterien sind. In diesem Sinne züchten also keine Ameisen Pilze, sondern Ameisen und Pilze zusammen.
Du sagtest, der Ball sei Myzel. Was ist das?
Sie haben vielleicht Pilze in Form eines Pilzes gesehen, aber dies ist nur ein kleiner Prozentsatz des tatsächlichen Organismus.
In einem Wald in England können Sie zum Beispiel Pilze sehen, aber es gibt Meter und Kilometer Myzel unter der Erde, die Sie nicht sehen.
Dieses Myzel ist viel wichtiger [als der Pilz] für den Pilz. Tatsächlich ist das Myzel der eigentliche Pilz. Der Pilz ist nur ein Werkzeug zur sexuellen Fortpflanzung.
Der beste Vergleich, den Sie anstellen könnten, ist so etwas wie ein Apfelbaum mit dem Apfel, der seine Samen enthält, oder die Blüte einer Pflanze und ihre Pollen. Der Pilz ist dann also analog zur Blume und erzeugt die Sporen, die wie die Pollen sind.
Man sieht nur den kleinen Teil des Pilzes, den Champignon, der
natürlich am schönsten ist. Wobei Myzel sehr hübsch aussehen kann – das kann ich Ihnen mit Sicherheit sagen. Aber im Allgemeinen kann man das Myzel nicht sehen, weil es sehr dünne, fadenartige Strukturen im Boden sind.
Es ist das Myzel, das alle Nährstoffe extrahiert. Es macht die ganze harte Arbeit. Und sprudelt dann zusammen, um den Pilz zu bilden.
Warum fressen die Ameisen den Pilz nicht einfach?
Normalerweise muss dieser spezielle Pilz keine Pilze für die sexuelle Fortpflanzung züchten, da die Ameisen dabei helfen, den Pilz zu verbreiten.
Jede Ameisengeneration beginnt mit einer neuen Königin, und die neuen Königinnen nehmen ein Stück des Pilzes in eine spezielle Höhle in ihrem Mund, die sie mitnehmen, wenn sie ausfliegen, um sich zu paaren und eine neue Kolonie zu gründen.
Dies ist ein Prozess, den wir „vertikale Übertragung“ nennen. Es stellt sicher, dass dieser spezielle Pilzstamm ohne genetische Vermischung fortbesteht.
Die Produktion eines Pilzes erfordert viel Energie, die für etwas Unnötiges verschwendet wird. Außerdem können die Ameisen die Pilze nicht fressen.
Als ich diese [Pilze]-Spezies in Kopenhagen untersuchte, hielten wir sie in klimatisierten Räumen. Manchmal hatten die Klimakammern Probleme – ein plötzlicher Temperaturabfall oder der Luftbefeuchter funktionierte nicht sehr gut – und wir bekamen Pilze. Die Ameisen würden diese Pilze angreifen. Sie würden an den Lamellen [Kiemen] an der Unterseite der Pilzkappe, wo sich die Sporen bilden, wegschneiden und versuchen, die Pilze loszuwerden.
Jetzt, auf dem Campus, wo ich in Brasilien bin, sehen wir hin und wieder Pilze auftauchen. Es ist sehr, sehr seltsam zu sehen. Einer der Doktoranden, mit dem ich an der São Paolo State University zusammengearbeitet habe, Rodolfo Bizarria Jr., fing an zu zählen, wie oft wir das gesehen haben.
Dann gingen wir zurück durch die Literatur, um alle Vorkommen [des Auftauchens von Pilzen] zu finden. Es gibt nicht viele, die bis ins 19. Jahrhundert zurückreichen. Aber wir sehen eine Steigerung. Wir haben versucht festzustellen, ob es einen Zusammenhang mit der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit und dem Niederschlag gibt, und es scheint einen Zusammenhang zu geben.
Könnte der Klimawandel diese Arten beeinflussen?
Wir wissen es noch nicht. Wir wissen nur, dass es eine Zunahme der Pilze gibt, und normalerweise ist dies für das System nicht rentabel. Wir müssten prüfen, ob dies wirklich schädlich für die Kolonie ist.
Wo findet man dieses Pilzsystem?
Nur in Amerika. So findet man pilzzüchtende Ameisen in den südlichen Teilen Südamerikas, um Argentinien und Chile herum, bis hin zu den südlichen Teilen der Vereinigten Staaten – Florida, Arizona, Texas. Sogar auf den karibischen Inseln findet man einige dieser Arten.
Warum hat diese Beziehung begonnen?
Das ist die große Frage. Wir wissen es nicht. Es gibt verschiedene Theorien, und die häufigste ist, dass es von Ameisen stammen könnte, die anfingen, Pflanzenmaterial als Nahrung zu sammeln. Die Ameisen deponierten das Material in den Nestkammern und dann begann ein Pilz darauf zu wachsen, und irgendwie stellten sie fest:„Hey, das ist schön!“
So wie wir zum Beispiel entdeckten, wie man Bier oder andere alkoholische Produkte herstellt, weil Pilze auf unserem verrottenden Essen zu wachsen begannen und wir schließlich merkten:„Oh, das ist aber wirklich sehr schön.“
Aber den genauen Zusammenhang wissen wir nicht genau. Wir wissen mehr über die Ameisen, weil die Menschen sie genauer studiert haben. Wir sind also viel näher dran, die Vorfahren der Ameisen zu verstehen, als wir damit begonnen haben.
Wir wissen nicht, was die nächsten Vorfahren dieser Pilze sind. Ein wichtiger Teil meiner Forschung ist es, das herauszufinden und zu verstehen, warum diese Ameisen diesen Pilz und keinen anderen gewählt haben. Was ist so gut an diesen Pilzen und was ist der Ursprung der damit verwandten Pilze, die nicht mit Ameisen wachsen? Sobald wir das wissen, können wir vielleicht die Genomik und die Ökologie vergleichen. Damit können wir zumindest einen Rückschluss darauf ziehen, wie das alles begann.
Aber das ist nicht nur eine Beziehung zwischen Ameisen und Pilzen. Wie haben sich die Pflanzen angepasst, um sich vor dem Fressen zu schützen?
Pflanzen haben ihre eigenen Abwehrkräfte, und sie sind nicht unbedingt spezifisch für diese Ameisen, sondern ein allgemeiner Schutz gegen Pflanzenfresser. Sie tun dies unter anderem durch die Produktion von Toxinen, die wir als phenolische Verbindungen bezeichnen. Tannine sind ein Beispiel dafür. Wenn Sie also ein gutes Glas Wein trinken, sind die Tannine in Ihrem Mund – der trocknende, bittere Geschmack – der Abwehrmechanismus der Pflanzen.
Diese Säure ist sehr gut darin, jeden Pilz, jedes Bakterium abzuwehren – und damit auch alle Pflanzenfresser, weil es ihr Mikrobiom stören würde.
Eine weitere Verteidigung sind jedoch andere Pilze. In Pflanzenblättern finden Sie sogenannte Endophyten. Dies sind Pilze, die in den meisten Fällen eine Gegenseitigkeit mit der Pflanze eingehen, um sie vor Fraßfeinden zu schützen. Sie möchten keine anderen Pilze in ihrer Nahrung haben!
Studien mit Blattschneiderameisen zeigten, dass die Ameisen, wenn ihnen Blätter präsentiert wurden, die mit Endophyten infiziert waren, immer die Blätter mit den wenigsten hatten. Denn sonst könnte es zu Konkurrenz zwischen ihrem Pilz und den Pilzen im Blatt kommen.
Woher wissen sie das?
Gute Frage. Wir glauben, dass die Ameisen es riechen können. Sie haben natürlich keine Nase, aber mit ihren Antennen können sie Gerüche, Chemikalien und flüchtige Stoffe aufnehmen, die von den Pflanzen freigesetzt werden oder vom Pilz stammen. Auf diese Weise kommuniziert der Pilz mit seiner Ameisenkolonie. Die Ameisen könnten dem Pilz etwas geben und der Pilz kann ein Signal aussenden, das sagt:„Ich mag das nicht.“
Studien einer Gruppe in Deutschland gaben den Ameisen kleine Blattstücke, die mit Fungiziden behandelt wurden. Nach 24 Stunden brachten die Ameisen diese nicht mehr zum Pilz. Es ist nicht so, dass die Ameisen das Fungizid erkannt hätten, aber sie haben erkannt, dass etwas nicht stimmte, weil der Pilz es nicht mochte. Es gibt eine wirklich enge Interaktion zwischen dem Pilz und den Ameisen.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 373 des BBC Science Focus Magazine – Hier erfahren Sie, wie Sie sich anmelden können
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