Die Geometrie beeinflusst den Beutefang bei fleischfressenden Kannenpflanzen

Forscher des Botanischen Gartens der Universität Oxford und des Mathematischen Instituts haben gezeigt, dass die Form, Größe und Geometrie fleischfressender Kannenpflanzen die Art der Beute bestimmen, die sie fangen. Die Ergebnisse wurden heute im veröffentlicht Verfahren der National Academy of Sciences (PNAS).

Kannenpflanzen (Gattung Nepenthes) sind eine fleischfressende Pflanzenart, die in den Tropen, insbesondere in Südostasien, vorkommt. Ihr Name bezieht sich auf die hohlen, becherartigen Strukturen, die sie produzieren, um tierische Beute (typischerweise Insekten) zu fangen. Kannenpflanzen gibt es in einer enormen Vielfalt an Formen und Größen, von Röhren bis hin zu Kelchen, manche sogar mit stachelartigen „Zähnen“ – aber warum sie sich so deutlich unterscheiden, ist ein Rätsel.

„Ich bin diesen außergewöhnlichen Pflanzen zum ersten Mal vor fast zwanzig Jahren in freier Wildbahn in Südostasien begegnet“, erinnert sich Dr. Chris Thorogood, Botaniker und stellvertretender Direktor des Oxford Botanic Garden. „Ich erinnere mich, dass ich mich gefragt habe: Wie und warum unterscheiden sie sich so sehr? Es ist wirklich aufregend, zur Lösung dieses Rätsels beigetragen zu haben.“

Der Mechanismus, mit dem Kannenpflanzen Beute fangen, ist gut bekannt: Jede Kanne hat an der Oberseite einen rutschigen Rand, ein sogenanntes Peristom, der mit Rillen bedeckt ist, die einen Wasserfilm sammeln. Dies führt dazu, dass die Beute ins Schleudern gerät und in eine Lache aus Verdauungssäften am Boden des Kruges fällt, ähnlich wie ein Auto, das auf dem Wasser Aquaplaning macht.

Doch obwohl dieser Vorgang allen Kannenpflanzen gemeinsam ist, reicht die Form des Randes von einfachen Zylindern bis hin zu stark verzierten, geriffelten oder gezahnten Strukturen. Je aufwendiger der Rand, desto höher die Kosten für seine Herstellung: Warum bilden also nicht alle Kannenpflanzen einfach eine einfache Struktur aus?

Um diese Frage zu beantworten, wandte das Team mathematische Modelle auf Kannenpflanzen an, die im Botanischen Garten gezüchtet wurden, um zu sehen, welche Auswirkung die Form des Randes auf den Beutefang hat. Formen wurden in vier Gruppen eingeteilt, die in der Natur vorkommen und mithilfe mathematischer Rekonstruktionen leicht verglichen werden konnten. Hypothetische Fangeffizienzen wurden für jede Form anhand einer „Punktmasse“ gemessen – dem Äquivalent eines Insekts, das in die Falle gleitet. Anschließend wurden die energetischen Kosten für die Herstellung der Felge berechnet, indem die relative Fläche und Steilheit der verschiedenen Strukturen untersucht wurde.

Derek Moulton, Professor für Angewandte Mathematik am Mathematischen Institut der Universität Oxford, erklärte: „Mathematische Rekonstruktionen ermöglichen es uns, die Kompromisse zu erforschen, die bei diesen Pflanzen in der Natur bestehen. Große, ausgestellte Ränder sind für die Produktion einer Pflanze kostspielig. Durch Simulation.“ Sowohl bei realistischen Peristomen als auch bei extremen Versionen – Geometrien, die es in der Natur nicht gibt – konnten wir zeigen, dass in einer optimalen Struktur die Produktionskosten durch die zusätzliche Beute, die gefangen werden kann, ausgeglichen werden könnten.“

„Eine ähnliche Situation besteht hinsichtlich der Fallengröße“, fügte Dr. Hadrien Oliveri, Postdoktorand am Mathematischen Institut der Universität Oxford, hinzu. „Wir könnten erwarten, dass die Größe des Randes mit der Beute korreliert, die in einem bestimmten Lebensraum am häufigsten verfügbar ist – seien es zum Beispiel Ameisen oder Käfer.“

Um den Einfluss der Fallengröße zu untersuchen, entwickelte das Team ein mathematisches Modell, um die 3D-Geometrien der Ränder von Kannenpflanzen mit den physikalischen Mechanismen des Beutefangs zu verknüpfen. Das Modell berücksichtigte geometrische Merkmale der Ränder – einschließlich Breite, Grad der Aufweitung und Ausrichtung – sowie die Stabilität und Gleitrichtung der an verschiedenen Punkten platzierten Beute.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Variationen in der Peristomgeometrie einen tiefgreifenden Einfluss darauf haben, was die Pflanze fangen kann. Beispielsweise schien die Geometrie stark ausgestellter Peristome besonders geeignet zu sein, um wandelnde Insekten wie Ameisen einzufangen.

Kannenpflanzen kommen in der Natur in stickstoffarmen Umgebungen vor – etwa an Berghängen, Sümpfen und tropischen Wäldern. Das bedeutet, dass ihre Fähigkeit, Stickstoff aus gefangenen Insekten zu fangen, ihnen einen Vorteil gegenüber nicht fleischfressenden Pflanzen verschafft. Jeder dieser Lebensräume verfügt über eine einzigartige Kombination potenzieller Beute, was die Möglichkeit erhöht, dass Kannenpflanzen verschiedene Fallen entwickelt haben, um die verschiedenen Arten verfügbarer Insekten an einem bestimmten Ort zu erschließen.

„So wie die Schnäbel von Vögeln unterschiedlich geformt sind, um sich von Nüssen, Samen oder Insekten usw. zu ernähren“, erklärte Dr. Thorogood, „sind auch diese Kannenpflanzen gut an die verschiedenen Beutetiere angepasst, die in ihrer Umgebung vorkommen.“

Aber trotz der großen Anziehungskraft dieser „grünen Raubtiere“ kann es schwierig sein, sie in freier Wildbahn zu untersuchen. Daher können mathematische Ansätze eine wirksame Möglichkeit sein, Licht auf diese botanischen Kuriositäten zu werfen.

„Die Beobachtung dieser Pflanzen in ihrer natürlichen Umgebung ist natürlich der beste Weg, sie zu verstehen. Aber viele dieser Pflanzen wachsen an abgelegenen, unwirtlichen Orten, sodass ihre Untersuchung in der Natur eine Herausforderung sein kann“, sagte Dr. Thorogood.

„Die Zusammenarbeit ist für Mathematiker und Biologen eine wirkungsvolle Möglichkeit, zu verstehen, wie und warum solch außergewöhnliche Organismen entstanden sind, und neue Hypothesen aufzustellen“, sagte Alain Goriely, Professor für Mathematische Modellierung am Mathematischen Institut. „Mathematische Modellierung ermöglicht es uns, sie zu testen.“

Das Team plant, seine Arbeit an Kannenpflanzen und anderen im Botanischen Garten angebauten Pflanzen fortzusetzen – einer lebendigen Bibliothek, die Wissenschaftler erkunden können.