Bayreuth, Germany
March 26, 2021
Blue is the favourite colour of more people in the world than any other, and the "blue flower" is considered a symbol of romantic longing. In nature, however, there are only a few plant species whose flowers contain blue colour pigments. An international research team led by Bayreuth ecologist Prof. Dr. Anke Jentsch has investigated the reasons for this. One important factor is the great chemical effort required to produce blue dyes, however differing colour perception of pollinators also plays a role. For bees, all the shades of blue assume a more conspicuous share in the colourfulness of flowers than they do for the human eye. The scientists present their study in the journal "Frontiers in Plant Science".
Liver leaves (Hepatica nobilis). Photo: Anke Jentsch.
The interdisciplinary research team has compiled a multitude of findings on the colour blue in the world of flowering plants, and systematically correlated them for the first time. An evaluation of data from the TRY Plant Trait Database, one of the world's largest databases of plant traits, revealed that only seven percent of all flowering plants worldwide are perceived as blue by the human eye. Further, distinguishing between the flowering plants native to Europe according to pollination type is most revealing. Among the plant species that are mainly pollinated by wind or rain, there are virtually none that appear blue to humans. In contrast, the flowers of 7.5 per cent of all flowering plants that are mainly pollinated by insects or birds present themselves as blue to the observer. "This difference suggests that the colour perception of pollinating organisms has significantly influenced the development of flower colour over the course of evolution. It is therefore worth investigating the question of how flowers are perceived by their respective pollinators, and what interactions are triggered by this," says Prof. Dr. Anke Jentsch, Professor of Disturbance Ecology at the University of Bayreuth.
All abuzz over blue flowers
It has long been known that insects, birds and bats, which are essential for the reproduction of many species of flowers, are sensitive to different colour spectra than humans are. The human eye contains three types of photoreceptors that respond to red, green, and blue light. Bees, on the other hand, have a reduced sensitivity to red colours, are less able to distinguish between yellow and white, but do perceive colour patterns from the ultraviolet range. Blue tones are among the areas of the spectrum accessible to them which they perceive with particular intensity. "Bees therefore see the colourfulness of flowering plants quite differently from other pollinator groups or from us humans. They are particularly attracted to blue flowers," says Jentsch. "From an ecological point of view, we should actually rewrite the identification books. Since Charles Darwin and Carl von Linné, human perception of flower colours has been used to distinguish between plant species, even though it is not human perception of colour, but the interaction of plants with pollinators that is relevant for evolution."
A competitive advantage for flowering plants
The attraction of the colour blue for bees, however, raises the question of why only comparatively few of the plant species pollinated by insects and birds have developed blue flowers. Here, too, the researchers propose a complex answer. The production of a blue flower pigment is very complicated for plants. Six different colouring substances, so-called anthocyanins, and six corresponding molecules are involved in the chemical process, which together with metal ions form special ring structures. Only those species that have to prevail in fierce competition for pollinators make this great effort. This is particularly the case in some high mountain areas, for example in the European Alps or in the Himalayas. Here, the climatic living conditions are particularly unfriendly for insects and other pollinators. For flowering plants, on the other hand, which are native to very species-rich grasslands or meadows and often have to survive on nutrient-poor soils, blue flowers represent an important unique selling point. In competition with other species in their immediate vicinity, they are particularly conspicuous, so that pollinators are attracted to them even from larger distances.
Blue flowers in danger
The scientists warn that the loss of land in wilderness areas and cultivated landscapes, as well as the intensification of agriculture, in many cases not only contributes to insect mortality, but also further reduces the already low proportion of blue flowering plants. "There are numerous indications that the expansion of agricultural land, the use of artificial fertilisers, frequent mowing, and intensive grazing are all detrimental to species-rich vegetation. Thus, there is a danger that blue flowers will almost completely disappear from the landscape," says Dr Justyna Giejsztowt from New Zealand, a research associate at the Disturbance Ecology research group in Bayreuth.
Prof. Dr. Anke Jentsch. Photo: UBT.
Art as inspiration for research
The study was originally inspired by the 1920 poem "Fragmentary Blue" by the US nature poet Robert Frost. It deals with the relationship between the vast blue sky and the blue tones in nature that occur only in small fragments. Conversations about these lyrical reflections and the exchange of ideas about their own observations of nature on different continents provided the impetus for systematic research. The authors begin their publication with a tour d' horizon through cultural history, in which they point out the worldwide ubiquity of the colour blue in painting, literature, and religion - starting with ancient Egypt and Christian art in the Middle Ages, all the way to 20th century Impressionism.
International cooperation and research funding
The study, now published in Frontiers in Plan Science, is the result of close intercontinental collaboration between Prof. Dr Anke Jentsch from Germany (Bayreuth) and researchers in Australia (Melbourne), Brazil (São Paulo), Nepal (Kathmandu), Norway (Lillehammer), and the USA (Chapel Hill). The research work in Bayreuth was funded by the Federal Ministry of Education and Research as part of the SUSALPS project.
Publication:
A. G. Dyer et al.: Fragmentary Blue: Resolving the Rarity Paradox in Flower Colors. Frontiers in Plant Science (2021). DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2020.618203
Die Farbe Blau in der Welt der Blüten: Internationale Studie ergründet ihre Seltenheit
Blau ist die Lieblingsfarbe der Menschen weltweit, die „Blaue Blume“ gilt als Sinnbild romantischer Sehnsucht. In der Natur aber gibt es nur wenige Pflanzenarten, deren Blüten blaue Farbpigmente enthalten. Ein internationales Forschungsteam um die Bayreuther Ökologin Prof. Dr. Anke Jentsch hat die Gründe dafür untersucht. Eine wichtige Rolle spielen der hohe chemische Aufwand bei der Herstellung blauer Farbstoffe, aber auch unterschiedliche Farbwahrnehmungen der Bestäuber. Für Bienen haben Blautöne einen auffälligeren Anteil an der Farbenpracht der Blüten als für das menschliche Auge. In der Zeitschrift „Frontiers in Plant Science“ stellen die Wissenschaftler*innen ihre Studie vor.
Das interdisziplinäre Forschungsteam hat eine Vielzahl von Erkenntnissen zur Farbe Blau in der Welt der Blütenpflanzen zusammengetragen und erstmals systematisch zueinander in Beziehung gesetzt. Eine Auswertung von Daten aus der TRY Plant Trait Database, einer der weltweit größten Datenbanken pflanzlicher Eigenschaften, ergab: Nur sieben Prozent aller Blütenpflanzen weltweit werden vom menschlichen Auge als blau wahrgenommen. Aufschlussreich ist dabei eine Unterscheidung der in Europa heimischen Blütenpflanzen nach Bestäubungsart: Unter den Pflanzenarten, die hauptsächlich von Wind und Regen bestäubt werden, gibt es so gut wie keine, die dem Menschen blau erscheinen. Hingegen präsentieren sich die Blüten von 7,5 Prozent aller Blütenpflanzen, die vor allem von Insekten oder Vögeln bestäubt werden, dem Betrachter als blau. „Dieser Unterschied legt die Vermutung nahe, dass die Farbwahrnehmung der bestäubenden Organismen im Verlauf der Evolution die Herausbildung von Blütenfarben wesentlich beeinflusst hat. Deshalb lohnt es sich der Frage nachzugehen, wie die Blüten von ihren jeweiligen Bestäubern wahrgenommen werden und welche Interaktionen dadurch ausgelöst werden“, sagt Prof. Dr. Anke Jentsch, Professorin für Störungsökologie an der Universität Bayreuth.
Bienen fliegen auf blaue Blüten
Schon lange ist bekannt, dass die für die Fortpflanzung vieler Blumenarten unentbehrlichen Insekten, Vögel und Fledermäuse für andere Farbspektren empfänglich sind als die Menschen. Das menschliche Auge enthält drei Typen von Photorezeptoren, die auf rotes, grünes und blaues Licht reagieren. Bienen hingegen sind für rote Farben wenig empfänglich, können weniger gut zwischen gelb und weiß unterscheiden, nehmen aber dafür Farbmuster aus dem ultravioletten Bereich wahr. Blautöne zählen zu denjenigen Bereichen des ihnen zugänglichen Spektrums, die sie mit besonderer Intensität wahrnehmen. „Bienen sehen die Farbenpracht der Blütenpflanzen also ganz anders als andere Bestäubergruppen oder als wir Menschen. Sie werden von blauen Blüten besonders stark angezogen“, sagt Jentsch. „Aus ökologischer Sicht müssten wir die Bestimmungsbücher eigentlich umschreiben. Seit Charles Darwin und Carl von Linné wird die menschliche Wahrnehmung von Blütenfarben zur Unterscheidung von Pflanzenarten herangezogen, obwohl nicht die Farbwahrnehmung der Menschen, sondern die Interaktion der Pflanzen mit den Bestäubern für die Evolution relevant ist.“
Ein Wettbewerbsvorteil für Blütenpflanzen
Die Anziehungskraft der Farbe Blau für die Bienen wirft allerdings die Frage auf, weshalb nur vergleichsweise wenige der von Insekten und Vögeln bestäubten Pflanzenarten blaue Blüten entwickelt haben. Auch hier schlagen die Forscher*innen eine komplexe Antwort vor: Die Produktion eines blauen Blütenfarbstoffs ist für Pflanzen sehr aufwändig. An dem dafür erforderlichen chemischen Prozess sind sechs verschiedene farbgebende Substanzen, sogenannte Anthocyane, und sechs korrespondierende Moleküle beteiligt, die zusammen mit Metallionen spezielle Ringstrukturen bilden. Diesen hohen Aufwand betreiben nur solche Arten, die sich in einem harten Wettbewerb um Bestäuber durchsetzen müssen. Das ist insbesondere in einigen Hochlagen von Gebirgen der Fall, beispielsweise in den europäischen Alpen oder im Himalaya. Hier sind die klimatischen Lebensbedingungen für Insekten und andere Bestäuber besonders unfreundlich. Für Blütenpflanzen wiederum, die in sehr artenreichen Wiesen und Weiden heimisch sind und oftmals auf nährstoffarmen Böden überleben müssen, stellen blaue Blüten ein wichtiges Alleinstellungsmerkmal dar: In der Konkurrenz mit anderen Arten in ihrer unmittelbaren Nachbarschaft sind sie besonders auffällig, so dass Bestäuber auch aus größerer Entfernung angelockt werden.
Blaue Blumen in Gefahr
Die Wissenschaftler*innen warnen davor, dass der Flächenschwund in Wildnis- und Kulturlandschaften sowie die Intensivierung der Landwirtschaft in vielen Fällen nicht nur zum Insektensterben beiträgt, sondern auch den ohnehin niedrigen Anteil blauer Blütenpflanzen weiter verringert. „Es gibt zahlreiche Indizien dafür, dass die Ausweitung landwirtschaftlicher Flächen, der Einsatz von Kunstdünger, häufiges Mähen und eine intensive Weidewirtschaft zu Lasten artenreicher Vegetationen geht. So besteht die Gefahr, dass blaue Blumen fast gänzlich aus dem Landschaftsbild verschwinden“, sagt Dr. Justyna Giejsztowt aus Neuseeland, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Professur für Störungsökologie in Bayreuth.
Kunst als Inspiration für die Forschung
Ursprünglich inspiriert wurde die Studie durch das 1920 entstandene Gedicht „Fragmentary Blue“ des US-amerikanischen Naturlyrikers Robert Frost. Darin geht es um die Beziehung zwischen dem weiten blauen Himmel und den nur in kleinen Fragmenten vorkommenden Blautönen in der Natur. Gespräche über diese lyrischen Reflexionen und der Gedankenaustausch über eigene Naturbeobachtungen auf verschiedenen Kontinenten gaben den Anstoß für systematische Recherchen. Die Autor*innen beginnen ihre Veröffentlichung mit einer Tour d‘ Horizon durch die Kulturgeschichte, in der sie auf die weltweite Präsenz der Farbe Blau in der Malerei, Literatur und Religion hinweisen – angefangen vom antiken Ägypten über die christliche Kunst des Mittelalters bis hin zum Impressionismus des 20. Jahrhunderts.
Internationale Kooperation und Forschungsförderung
Die jetzt in „Frontiers in Plan Science“ veröffentlichte Studie ist hervorgegangen aus einer engen interkontinentalen Zusammenarbeit von Prof. Dr. Anke Jentsch aus Deutschland (Bayreuth) mit Forscher*innen in Australien (Melbourne), Brasilien (São Paulo), Nepal (Kathmandu), Norwegen (Lillehammer) und den USA (Chapel Hill). Die Forschungsarbeiten in Bayreuth wurden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Projekts SUSALPS gefördert.
Veröffentlichung:
A. G. Dyer et al.: Fragmentary Blue: Resolving the Rarity Paradox in Flower Colors. Frontiers in Plant Science (2021). DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2020.618203
Topics
Species
