Die meisten von uns verbringen ihre Tage nicht damit, ihren Zimmerpflanzen beim Wachsen zuzusehen. Wir sehen ihre Lebenszeichen nur gelegentlich – ein neues Blatt, das sich entfaltet, ein Stiel, der sich zum Fenster neigt.
Doch im Sommer 1863 lag Charles Darwin krank im Bett und konnte nichts anderes tun, als seine Pflanzen so genau zu beobachten, dass er ihre kleinen Bewegungen hin und her wahrnehmen konnte. Die Ranken seiner Gurkenpflanzen im Kreis herumgefegt bis sie auf einen Stock stießen, den sie umwickelten.
„Ich finde meine Ranken sehr amüsant“, er schrieb.
Aus dieser Belustigung entwickelte sich eine jahrzehntelange Faszination für die wenig beachtete Welt der Pflanzenbewegungen. Seine detaillierten Beobachtungen und Experimente fasste er 1880 in einem Buch mit dem Titel „Die Kraft der Bewegung bei Pflanzen.“
In einer Studie verfolgte die Bewegung eines Nelkenblattes alle paar Stunden über einen Zeitraum von drei Tagen, wodurch ein unregelmäßiger, gewundener, gezackter Pfad sichtbar wird. Die Schwünge der Gurkenranken und die Zickzacklinien der Nelkenblätter sind Beispiele für inhärente, allgegenwärtige Pflanzenbewegungen, die als Circumnutation bezeichnet werden – vom lateinischen Circum, was Kreis bedeutet, und nutare, was Nicken bedeutet.
Umgehungen variieren in Größe, Regelmäßigkeit und Zeitskala über Pflanzenarten hinweg. Ihre genaue Funktion bleibt jedoch unklar.
Ich bin Physiker Ich interessiere mich für das Verständnis kollektiven Verhaltens in lebenden Systemen. Wie Darwin bin ich von Circumnutationen fasziniert, da sie möglicherweise komplexeren Phänomenen in Pflanzengruppen zugrunde liegen.
Sonnenblumenmuster
Eine Studie aus dem Jahr 2017 ergab eine faszinierende Beobachtung, die meine Kollegen und mich zum Nachdenken über die Rolle brachte, die Zirkumnutationen bei Pflanzenwachstumsmustern spielen könnten. In dieser Studie fanden Forscher heraus, dass Sonnenblumen, die in einer dichten Reihe wachsen, auf natürliche Weise ein nahezu perfektes Zickzackmuster bildeten, wobei sich jede Pflanze in abwechselnde Richtungen von der Reihe wegneigte.
Durch dieses Muster konnten die Pflanzen den Schatten ihrer Nachbarn vermeiden und so das Sonnenlicht optimal nutzen. Diese Sonnenblumen blühten prächtig.
Anschließend pflanzten die Forscher einige Pflanzen in gleicher Dichte, beschränkten sie jedoch so, dass sie nur aufrecht wachsen konnten, ohne sich zu neigen. Diese eingeschränkten Pflanzen produzierten weniger Öl als die Pflanzen, die sich neigen konnten und die maximale Menge an Sonne bekamen.
Da die Landwirte ihre Sonnenblumen aus Angst vor der Verbreitung von Krankheiten nicht in einem so engen Abstand anbauen können, können sie diese Muster in Zukunft möglicherweise nutzen, um neue Pflanzstrategien zu entwickeln.
Selbstorganisation und Zufälligkeit
Diese spontane Musterbildung ist ein schönes Beispiel für Selbstorganisation in der Natur. Selbstorganisation bezieht sich darauf, wenn zunächst ungeordnete Systeme, wie ein Pflanzendschungel oder ein Bienenschwarm, Ordnung erreichen, ohne dass sie durch irgendetwas kontrolliert werden. Ordnung entsteht durch die Interaktionen zwischen den einzelnen Mitgliedern des Systems und ihren Interaktionen mit der Umwelt.
Etwas kontraintuitiv, erleichtert Rauschen – auch Zufälligkeit genannt – die Selbstorganisation. Denken Sie an eine Ameisenkolonie.
Ameisen scheiden Pheromone hinter sich aus, während sie zu einer Nahrungsquelle kriechen. Andere Ameisen finden diese Nahrungsquelle, indem sie den Pheromonspuren folgen, und sie verstärken die Spur, die sie genommen haben, noch weiter, indem sie ihrerseits ihre eigenen Pheromone absondern. Mit der Zeit finden die Ameisen den besten Weg zur Nahrung und eine einzige Spur setzt sich durch.
Sollte jedoch ein kürzerer Weg möglich sein, würden die Ameisen diesen nicht unbedingt finden, indem sie lediglich der vorhandenen Spur folgen.
Wenn jedoch ein paar Ameisen zufällig von der Spur abweichen, könnten sie auf den kürzeren Weg stoßen und eine neue Spur erstellen. Diese Zufälligkeit führt also zu einer spontanen Veränderung im System der Ameisen, die es ihnen ermöglicht, alternative Szenarien zu erkunden.
Irgendwann folgten mehr Ameisen der neuen Spur, und bald setzte sich der kürzere Weg durch. Diese Zufälligkeit hilft den Ameisen, sich an Veränderungen in der Umgebung anzupassen, da einige Ameisen spontan direktere Wege zu ihrer Nahrungsquelle suchen.
In der Biologie finden sich selbstorganisierte Systeme auf verschiedenen Ebenen, von der Muster von Proteinen im Inneren von Zellen bis hin zu den sozial komplexen Honigbienenkolonien, die gemeinsam Nester bauen und nach Nektar suchen.
Zufälligkeit bei der Selbstorganisation von Sonnenblumen
Könnten also zufällige, unregelmäßige Zirkumnutationen der Selbstorganisation der Sonnenblumen zugrunde liegen?
Meine Kollegen und ich wollten dieser Frage nachgehen, indem wir das Wachstum junger Sonnenblumen verfolgten, die wir im Labor pflanzten. Mit Kameras, die die Pflanzen alle fünf Minuten fotografierten, Wir verfolgten die Bewegung der Pflanzen, um ihre Kreislaufwege zu sehen.
Wir sahen einige Schleifen und Spiralen und viele gezackte Bewegungen. Diese erschienen letztlich weitgehend zufällig, ähnlich wie Darwins Nelke. Aber als wir die Pflanzen in Reihen zusammenstellten, begannen sie, sich voneinander zu entfernen und bildeten die gleichen Zickzack-Konfigurationen, die wir in der vorherigen Studie gesehen hatten.
Wir analysierten die Umgehungsbewegungen der Pflanzen und fanden heraus, dass die Bewegungsrichtung der Pflanze zu jedem beliebigen Zeitpunkt völlig unabhängig davon zu sein schien, wie sie sich etwa eine halbe Stunde zuvor bewegt hatte. Wenn man die Bewegung einer Pflanze alle 30 Minuten messen würde, würde es so aussehen, als ob sie sich völlig zufällig bewegt.
Wir haben auch gemessen, wie stark die Blätter der Pflanze im Verlauf von zwei Wochen gewachsen sind. Indem wir all diese Ergebnisse zusammenfassten, skizzierten wir ein Bild davon, wie sich eine Pflanze von selbst bewegte und wuchs. Diese Informationen ermöglichten es uns, eine Sonnenblume rechnerisch zu modellieren und zu simulieren, wie sie sich im Laufe ihres Wachstums verhält.
Ein Sonnenblumenmodell
Wir modellierten jede Pflanze einfach als kreisförmige Krone auf einem Stängel, wobei sich die Krone entsprechend der experimentell gemessenen Wachstumsrate ausdehnte. Die simulierte Pflanze bewegte sich völlig zufällig und machte jede halbe Stunde einen „Schritt“.
Wir haben die Modell-Sonnenblumen mit Umrundung von geringerer oder höherer Intensität erstellt, indem wir die Schrittgrößen angepasst haben. Am einen Ende des Spektrums machten Sonnenblumen viel häufiger kleine als große Schritte, was im Durchschnitt zu langsamen, minimalen Bewegungen führte. Am anderen Ende befanden sich Sonnenblumen, die mit gleicher Wahrscheinlichkeit große wie kleine Schritte machten, was zu sehr unregelmäßigen Bewegungen führte. Die echten Sonnenblumen, die wir in unserem Experiment beobachtet haben, lagen irgendwo in der Mitte.
Pflanzen benötigen Licht zum Wachsen und haben die Fähigkeit entwickelt, Schatten zu erkennen und die Wuchsrichtung zu ändern als Antwort.
Wir wollten, dass unsere Modellsonnenblumen dasselbe tun. Also haben wir es so gemacht, dass sich zwei Pflanzen, die sich zu nahe im Schatten stehen, in entgegengesetzte Richtungen wegneigen.
Schließlich wollten wir sehen, ob wir das Zickzackmuster, das wir bei den echten Sonnenblumen beobachtet hatten, in unserem Modell reproduzieren konnten.
Zuerst ließen wir die Modellsonnenblumen kleine Umschwünge machen. Ihre Schattenvermeidungsreaktionen drängten sie voneinander weg, aber das reichte nicht aus, um den Zickzack zu erzeugen – die Modellpflanzen blieben in einer Linie stecken. In der Physik würden wir dies ein „frustriertes“ System nennen.
Dann ließen wir die Pflanzen große Kreisbewegungen durchführen. Die Pflanzen begannen, sich in zufälligen Mustern zu bewegen, die oft dazu führten, dass sie näher zusammenrückten, anstatt sich weiter voneinander zu entfernen. Auch hier war kein Zickzackmuster zu sehen, wie wir es auf dem Feld gesehen hatten.
Aber als wir die Modellpflanzen ähnlich wie bei unseren experimentellen Messungen so einstellten, dass sie mäßig große Bewegungen machten, konnten sich die Pflanzen selbst in einem Zickzack-Muster anordnen, das jeder Sonnenblume optimales Licht bot.
Also, wir zeigten dass diese zufälligen, unregelmäßigen Bewegungen den Pflanzen dabei halfen, ihre Umgebung zu erkunden, um wünschenswerte Anordnungen zu finden, die ihrem Wachstum förderlich waren.
Pflanzen sind viel dynamischer, als man ihnen zutraut. Wenn Wissenschaftler und Landwirte sich die Zeit nehmen, sie zu beobachten, können sie ihre Geheimnisse lüften und die Bewegung der Pflanzen zu ihrem Vorteil nutzen.
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