Einführung
Fleischfressende Pflanzen faszinieren seit jeher durch ihre einzigartige Anpassung an nährstoffarme Umgebungen. Sie haben spezielle Mechanismen entwickelt, um Insekten und andere kleine Tiere zu fangen und zu verdauen. Doch in den letzten Jahren hat sich die Forschung intensiviert, um die komplexen Verhaltensweisen und potenziellen Intelligenz dieser Pflanzen zu verstehen. Dieser Artikel beleuchtet die neuesten Erkenntnisse und Forschungsansätze, die unser Verständnis von fleischfressenden Pflanzen revolutionieren.
Elektrische Signale als Kommunikationsmittel
Pflanzen haben kein Gehirn, keine Nervenzellen und keine Synapsen im herkömmlichen Sinne. Trotzdem sind viele Wissenschaftler mittlerweile davon überzeugt, dass auch Pflanzen über elektrische Signale Informationen zwischen den Organen ihres Körpers austauschen. Wenn eine Pflanze mechanisch verletzt oder mit Kälte konfrontiert wird, schickt sie elektrische Impulse durch ihren Körper. In beiden Fällen legen die Signale größere Strecken zurück, und zwar zehn Zentimeter und mehr. Eine Verletzung verursacht dabei völlig andere elektrische Signale als ein Kälteschock. Eine Schnittverletzung an einem Blatt löst relativ langsame elektrische Impulse aus, die sich über mehrere Minuten hinziehen. Kälteeinwirkung dagegen führte zu schnelleren, etwa 15 Sekunden kurzen Impulsen.
Blattläuse als Bio-Sensoren
Die Pflanzenwissenschaftler Rainer Hedrich, Vicenta Salvador-Recatalà und Ingo Dreyer haben eine elegante Lösung gefunden, um diese elektrischen Signale zu messen. Sie benutzen Blattläuse als Bio-Sensoren. Blattläuse stechen sehr zielgenau in die Siebröhren von Pflanzen und saugen den zuckerhaltigen Saft. Klebt man ihnen einen feinen Draht an den Körper und verbindet ihn mit einer Elektrode, die in der Erde einer eingetopften Pflanze steckt, entsteht zwischen Laus und Pflanze ein Stromkreis. Mit dieser Methode gilt es nun viele Fragen zu klären. Wie und wo entstehen die Signale? Welche Informationen transportieren sie? Wo werden sie registriert und welche Reaktionen folgen darauf?
Schnelle Bewegungen im Pflanzenreich
Pflanzen wirken oft unbeweglich, aber in Wirklichkeit sind sie ziemlich agil. Forscher suchen die schnellsten Bewegungen im Pflanzenreich, nicht nur bei blitzschnell zuschnappenden fleischfressenden Pflanzen. Die Venusfliegenfalle ist ein Paradebeispiel für diese Agilität.
Intelligenz und Sprache der Pflanzen
Forscher wie die australische Evolutionsökologin Monica Gagliano oder ihr Kollege Stefano Mancuso von der Universität Florenz attestieren Pflanzen gar Intelligenz und eine Art eigene Sprache. Gagliano berichtet, dass Erbsenpflanzen durch Rohre rauschendes Wasser wahrzunehmen scheinen und ihre Wurzeln in diese Richtung wachsen lassen. Sie hat auch gezeigt, dass Erbsen lernen können, dass einem scheinbar belanglosen Ereignis stets ein weiteres, für sie relevantes folgt. Die Forscherin trainierte die Pflanzen darauf, dass jedem Lichtreiz ein Windhauch vorangeht. Irgendwann reckten sie sich auch dann dem Lüftchen entgegen, wenn ihm gar kein Licht folgte.
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Pawlowsche Konditionierung bei Pflanzen
Die Botanikerin Michal Gruntman arbeitet mit Tielbörger und Ayoub an dem Projekt "Können Pflanzen lernen? Pawlowsche Konditionierung ohne ein Gehirn". Sie wollen wissen, ob Pflanzen sich verhalten wie die Hunde im berühmten Experiment des Physiologen Iwan Pawlow. Der Venusfliegenfalle soll nun blaues Licht die Beute verheißen. Ayoub beleuchtet die Pflanzen für 30 Sekunden, unmittelbar danach serviert sie die Fliege. Die Frage ist, ob die Pflanze ihre Falle demnächst allein auf den Lichtreiz hin schließt. Auch die Mimosen im Gewächshaus werden kurz mit blauem Licht bestrahlt. Alsdann kappen die Forscherinnen jeweils eines der zarten Blättchen, als wäre ein Pflanzenfresser am Werk. Mimosen reagieren darauf mit ihrer sprichwörtlichen Empfindlichkeit: Zum Schutz klappen sie ihre Fiederblättchen zusammen. Einige Exemplare der Ackerschmalwand wiederum neigen die Forscherinnen regelmäßig um 90 Grad. Über spezielle Zellen in den Wurzeln, das ist bekannt, bestimmen die Gewächse ihre Lage im Raum. Kurz nach dem Kippen geht das Licht an, die Pflanze sperrt dann, zum Zwecke des Gasaustauschs, ihre Spaltöffnungen auf. Die Ökologinnen hoffen, dass irgendwann der Kippreiz allein die Öffnung auslöst.
Die Sinneshaare der Venusfliegenfalle
Iosip isolierte etwa 1.000 einzelne Sinneshaare von adulten Venusfliegenfallen. Mithilfe der DNA-Sequenzierung analysierten sie die Gene in den Zellen und verglichen ihre Aktivität mit dem des Erbguts in den anderen Organen der Pflanze - der Blüte, den Wurzeln, der Falle, dem Blattrand, der Drüse und dem Blattstiel. Das Ergebnis: Tatsächlich unterschied sich die Genaktivität in den Sinneshaarzellen deutlich von der in anderen untersuchten Organen. Sie identifizierten 495 Gene, die als echte Sinneshaar-spezifische Gene klassifiziert werden können. An der Spitze der Liste der sinneshaarspezifischen Gene fanden sie viele elektrogene Ionenkanäle. Solche Öffnungen in der Zellmembran spielen bei vielen Reizleitungsprozessen eine wichtige Rolle - sowohl im Tierreich wie bei den Pflanzen. Diese Kanäle fanden sich fast ausschließlich an der Basis der Sinneshaare, was nahelegt, dass diese Kanäle an der Reizumwandlung der Haare beteiligt sind. Laut der Forscher lässt der Kaliumkanal auf dem Höhepunkt des Aktionspotenzials Kaliumionen passieren. Dadurch stellt sich die typische Ionenverteilung an der Membran nach einer Erregung wieder her und bereitet die Zelle für einen weiteren Reiz vor.
Der Zählmechanismus der Venusfliegenfalle
Ob die Falle ausgelöst wird oder nicht, entscheidet die Pflanze anhand eines raffinierten Zählmechanismus: Wird nur ein Sinneshaar auf der Venusfliegenfalle leicht bewegt, meldet es den ersten Beutekontakt über ein bio-elektrisches Signal. Erst beim zweiten Kontakt klappt die Falle blitzschnell zu - innerhalb von nur einer Zwanzigstel Sekunde. Ausgelöst wird diese Reaktion, wenn die Beute zwei Sinnesborsten gleichzeitig berührt oder eine innerhalb von 20 Sekunden zweimal hintereinander reizt. Dadurch kommt es ähnlich wie in den Nervenzellen von Tieren zu einer Änderung des Membranpotenzials in den Blattzellen und dies löst die Bewegung aus.
Zählen und Gedächtnis
Die Venusfliegenfalle kann aber nicht nur bis zwei zählen, sondern entscheidet anhand der Zahl der Berührungen durch das gefangene Insekt, ob die Verdauungssäfte fließen und wie stark. Registriert die Pflanze zwei oder mehr Reize, reagiert sie mit einer Freisetzung des Berührungs- und Wundhormons Jasmonat. Hat die glücklose Beute beim Zappeln dann fünf oder mehr Kontaktsignale ausgelöst, aktiviert die Venusfliegenfalle zusätzlich in ihren 37.000 Drüsen die Gene für Verdauungsenzyme. Die Venusfliegenfalle aktiviert Ionenkanäle in ihren Zellen, die Natrium in die Zellen schleusen. Dieses Element fällt beim Verdauen der Insekten in großen Mengen an. Die fleischfressende Pflanzen passt auch das Ausmaß ihrer Reaktion an die Zahl der Kontakte an. Die Venusfliegenfalle beherrscht aber nicht nur das Zählen, sie kann sich die Zahl der Beutekontakte sogar merken - bis zu vier Stunden lang. Sie damit gewissermaßen eine Pflanze mit Gedächtnis.
Ein ausgeprägtes Nervensystem?
Die Venusfliegenfalle hat ein ausgeklügeltes System entwickelt, das zu den schnellsten Bewegungen von Pflanzen zählt: Ihre rötlich-grünen Blätter besitzen drei sehr empfindliche Sinneshaare. Berührt ein Beutetier eines davon, sendet das Haar elektrische Impulse aus, die sich über das gesamte Blatt ausbreiten. Wird innerhalb von 30 Sekunden ein zweiter Impuls ausgelöst, schnappen die Blätter wie Fangeisen zu und die Beute sitzt in der Falle. Aus Drüsen scheidet die wohl berühmteste Fleisch fressende Pflanze ein Sekret aus, mit dem sie die Fliege oder Spinne schließlich verdaut.
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Langsame Berührung reicht aus
Ein Forscherteam der Universität Zürich und der ETH Zürich hat einen weiteren Mechanismus entdeckt: Es reicht bereits eine einzelne, langsame Berührung eines Sinneshaares aus, um zwei Impulse und damit das Zuschnappen der Blätter auszulösen. Die Versuche bestätigten die bisherigen Erkenntnisse: Entsprechen Geschwindigkeit und Winkel der Berührung in etwa den schnellen Bewegungen eines klassischen Beutetieres wie einem Insekt sind zwei Berührungen notwendig, damit die Blätter zuklappen. Interessanterweise zeigte das Modell, dass bei langsamer Auslenkgeschwindigkeit pro Berührung zwei elektrische Impulse ausgesendet werden, und die Falle folglich zuschnappen müsste. Die offenen Blätter der Venusfliegenfalle sind gekrümmt und stehen unter Spannung ähnlich wie eine gespannte Feder. Die elektrischen Impulse verändern die Krümmung und Spannung, sodass die Blätter blitzschnell zuklappen. Verantwortlich für die Impulse sind Ionenkanäle in der Zellmembran, die geladene Teilchen aus der Zelle heraus- oder in die Zelle hineintransportieren. „Wir nehmen an, dass die Ionenkanäle so lange geöffnet bleiben, wie die Membran unter mechanischer Spannung steht.
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