Schleswig-Holstein 2010 Leistungskurs Biologie Sachgebiet: Ökosysteme und deren Veränderung durch den Menschen

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1 Gemeinschaft macht stark - Zusammenleben von Ameisen und Ameisenpflanzen Aufgaben. Analysieren Sie anhand des Materials die ökologischen Beziehungen zwischen Ameisen und Ameisenpflanzen.. Erläutern Sie die Bedeutung der Jasmonsäure mit Hilfe des Materials. 00_Bio_ OEKO_H4_L.doc nur für Lehrkräfte Seite von 7

2 Material Text : Weglaufen können sie nicht: Wenn pflanzenfressende Insekten anrücken, müssen Pflanzen bewegungslos ertragen, dass ihre Blätter gefressen und ihre kohlenhydrathaltigen Säfte geschlürft werden. Bekannt ist, dass Pflanzen z.b. bei großer Trockenheit, sehr starker Sonneneinstrahlung oder anderen Stresssituationen einen Signalstoff abgeben. Innerhalb verschiedener Gattungen - so auch bei einigen Arten der Gattung Macaranga (Wolfsmilchgewächse) - kam es im Laufe der Evolution zu einer weiteren Entwicklung, zu den sog. Ameisenpflanzen. In der Gattung Macaranga findet man alle Zwischenstufen von Nicht-Ameisenpflanzen über die fakultativen zu den obligaten Ameisenpflanzen. Bei den letztgenannten ist das Zusammenleben häufig artspezifisch. Diese Pflanzen ermöglichen Nisträume in den Stängeln und bilden nährstoffreiche Futterkörperchen. Vor allem in den artenarmen Sekundärwäldern Malaysias und Borneos findet man große Bestände dieser Pionierpflanzen. Auf mit Mineralstoffen relativ gut versorgten Böden wachsen insbesondere die obligaten Ameisenpflanzen bzw. Ameisenbäume wie z.b. Macaranga bancana. Die Macaranga-Arten, die nicht als Ameisenpflanzen angesprochen werden, haben massive, verholzte Stängel, in die keine Ameise eindringen kann. Sie sind eher auf stickstoffarmen Böden zu finden, bilden keine Futterkörperchen und wachsen langsamer. Die Ameisenbaum bewohnenden Ameisen ernähren sich überwiegend von Pflanzenteilen ihres Ameisenbaums wie Futterkörperchen und Nektar oder dem von Blattläusen und Raupen produzierten Honigtau. Einige Arten der Gattung Crematogaster besiedeln jeweils nur einen Baum und sind ohne diesen nicht lebensfähig. Diese Ameisen kappen auf ihren Bäumen die Ranken von Kletterpflanzen, über die Insekten wie fremde Ameisen einwandern können. Die Ameisenbaum bewohnenden Ameisen schwärmen offenbar auf ein bestimmtes Signal aus und bekämpfen zudem zum Teil sehr aggressiv alle anderen sich auf ihren Bäumen aufhaltenden Insekten. Honigtau liefernde Läuse oder Raupen hingegen werden von diesen Ameisen nahezu kultiviert. Abb. : Zusammensetzung der Ameisenkolonien in Abhängigkeit vom Angebot der Futterkörperchen. = mit zusätzlichen Futterkörperchen, = Kontrolle, 3 = ohne Futterkörperchen. 00_Bio_OEKO_H4_L.doc nur für Lehrkräfte Seite von 7

3 Tab. : Samenproduktion bei der Ameisenpflanze Calathea (Pfeilwurzgewächse) in Anwesenheit von Honigtau absondernden Raupen und/oder Ameisen. Anzahl der Samen je Blütenstand Calathea-Pflanzen mit Raupen 6 Calathea-Pflanzen mit Ameisen Calathea-Pflanzen mit 7 Raupen und Ameisen Tab. : Nährstoffzusammensetzung und Energiegehalt der Futterkörperchen von fakultativen und obligaten Ameisenpflanzen. Abb. : Nährstoffe (Inhaltsstoffe) in Blättern und Futterkörperchen einer obligaten Ameisenpflanze. Pflanzenarten Vergesellschaftung Pflanze Ameise Kohlenhydrate in mg/g Frischgewicht Proteine in mg/g Frischgewicht Lipide in mg/g Frischgewicht Energiegehalt in kj/g Frischgewicht M. tanarius fakultativ 39,3 6, 8,6 3,9 M. bancana obligat 0,3 5,9 46,9 6 M. hulleti obligat 9,7 7,8 56,4 6,6 M. hosei obligat,4,8 9,5 4, 00_Bio_OEKO_H4_L.doc nur für Lehrkräfte Seite 3 von 7

4 Material Abb. 3: Nektarproduktion bei M. tanarius nach Blattschädigungen oder Besprühen mit Jasmonsäure. Kontrolle = ohne Behandlung, künstl. Schaden = mit Nadeln Löcher in die Blätter bringen, Fraß = Insektenfraß, Jasmonsäure = Jasmonsäure wurde aufgesprüht. Abb. 4: Vergleich der Fraßschäden durch phytophage Insekten auf unbehandelten Kontrollpflanzen, künstlich beschädigten Pflanzen (Nadelstiche) und mit Jasmonsäure behandelten Pflanzen. Abb. 5: Anzahl von räuberischen Insekten, Ameisen und Pflanzenfressern auf mit Jasmonsäure behandelten Pflanzen und auf Kontrollpflanzen. 00_Bio_OEKO_H4_L.doc nur für Lehrkräfte Seite 4 von 7

5 Abb. 6: Regulation der Nektarproduktion von Ameisenpflanzen (Relativangaben). 00_Bio_OEKO_H4_L.doc nur für Lehrkräfte Seite 5 von 7

6 Aufg. Erwartete Leistung Zuordnung Bewertung I II III Lt. Text: Obligate Macaranga-Arten bieten den Ameisen Nisträume, Nahrung u.a. (=Kosten für die Pflanzen), die A- meisenbaum bewohnenden Ameisen kappen andere Ranken, vertreiben andere Insekten (nicht Honigtau produzierende)(kosten für die Ameisen). Abb. : Änderungen der Ameisenkoloniezusammensetzung in Abhängigkeit von der Menge der Futterkörperchen Abb. : in Futterkörperchen deutlich mehr Proteine, Lipide als in Blättern Zudem laut Tabelle : Futterkörperchen obligater Ameisenpflanzen mit weniger Kohlenhydraten, insgesamt höherem Energiegehalt, da deutlich mehr Proteine, Lipide Voraussetzung dafür: Wolfsmilchgewächse mit guter Mineralstoffversorgung (s. Text) Die die obligaten Ameisenpflanzen bewohnenden Ameisen sind besser versorgt (s. Angaben zu Abb. u. ). Tab. : Zusammenhang von Samenproduktion und Anwesenheit der Ameisen (für die Pflanzen am besten, wenn nur Ameisen vorhanden sind) Für die Ameisen am besten, wenn Nahrung gebende Pflanzen und Honigtau liefernde Raupen vorhanden sind. Schlussfolgerung: es liegt symbiotische Beziehung zwischen Ameisenpflanzen und den sie bewohnenden Ameisen vor. Abb. 3: bei Besprühen mit Jasmonsäure liegt höchste Nektarproduktion vor: Abb. 4: andererseits geringster Fraßschaden wenn Jasmonsäure vorhanden ist; Abb. 5: zudem bei Vorhandensein von Jasmonsäure Anzahl der räuberischen Insekten und Ameisen deutlich höher als ohne Jasmonsäure; Abb. 6: Angaben zur Regulation: Wie u. a. Raupenfraß bewirkt Anstieg der Jasmonsäurekonzentration, dadurch erhöhte Blattnektarmenge und Futterkörperchenanzahl, in der Folge mehr Ameisen, die die Raupen vertreiben, Pflanze produziert neues Blatt. Schlussfolgerung: Bei Fraßschäden wird von der Pflanze Jasmonsäure synthetisiert, diese (Kairomon) lockt beschützende Ameisen (auch andere räuberische Insekten) an, schreckt Phytophage ab (Abb. 5) Jasmonsäure zudem wahrscheinlich auch als Phytohormon, erhöht Nektarproduktion und evtl. sogar Blattneubildung Angaben zur biologischen Funktion der Regulation Summe Aufgabe -3: 50 Punkte _Bio_ OEKO_H4_L.doc nur für Lehrkräfte Seite 6 von 7

7 Quellen: Fiala, B., Maschwitz, U., Pong, Tho Yow, Helbig, A.J. (998): Studies of a South East Asian ant-plant association: protection of Macaranga trees by Crematogaster borneensis. Oecologia 79: Heil, M., Fiala, B., Kaiser, W., Linsenmair, K.E. (998): Chemical contents of Macaranga food bodies: Adaptations to their rote in ant attraction and nutrition. In: Functional ecology (), 7-. Heil, M., Koch, T., Hilpert, A., Fiala, B., Boland, W., Linsenmair, K.E. (00): Extrafloral nectar production of the ant-associated plants Macaranga tanarius, is an included, indirect, defensive response elicited by jasmonic acid. Proceedings of the National Academy of Sciences 98: Spieler, M., Skiba, F., Probst W. (005): Ameisenpflanzen: Vor- und Nachteile des Zusammenlebens. Unterricht Biologie 306: _Bio_ OEKO_H4_L.doc nur für Lehrkräfte Seite 7 von 7