Analyse der Reaktion von Pflanzenzellen auf Schwerkraft könnte von der Natur inspirierte Designs fördern

Von Windrädern und Gebäuden bis hin zu Robotern und bionischen Fahrzeugen wird die Nutzung innovativer Methoden und neuer Technologien zunehmend von der Natur inspiriert. Da sie biologische Systeme nachahmen, sind die Anwendungen solcher Lösungen auch als Biomimetik bekannt. Diese werden dank der Forschung, die uns dabei hilft, zu verstehen, wie sich lebende Organismen an Veränderungen externer Faktoren anpassen, weiter wachsen.

Eine Studie zur Wahrnehmung der Schwerkraft in Pflanzen, die zum Teil durch das EU-finanzierte PLANTMOVE-Projekt unterstützt wird, legt den Grundstein für biologisch inspirierte Industrieanwendungen. Die Erkenntnisse wurden vor Kurzem in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht.

Wie im Artikel geschrieben steht, verändert eine Pflanze, wenn sie geneigt ist, ihr Wachstum so, dass sie sich wieder nach oben biegt. Um die Neigung zu erkennen, nutzt sie zelluläre Neigungsmesser: Zellen, die mit mikroskopischen Stärkekörnern gefüllt sind, die als Statolithen bezeichnet werden. Forscher des französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS), des französischen Institut national de la recherche agronomique und der Université Clermont Auvergne, welche die Studie durchgeführt haben, untersuchten, wie diese „Gravisensoren“ auf die kleinste Abweichung von der Vertikalen reagieren.

Sie haben gezeigt, dass sich Statolithen trotz ihrer granulären Art bewegen und selbst auf den kleinsten Winkel reagieren, wie es flüssige Neigungsmesser tun würden. Die Forscher sagten: „Der Vergleich zwischen den biologischen und biomimetischen Systemen zeigt, dass dieses flüssigkeitsähnliche Verhalten von der Zellaktivität herrührt, welche die Statolithen mit einer offensichtlichen Temperatur in einer Größenordnung über der tatsächlichen Temperatur anregen.“ Sie fügten hinzu, dass die Ergebnisse „Licht auf die Schlüsselrolle von aktiven Bewegungen von Statolithen für die Erklärung der bemerkenswerten Sensibilität von Pflanzen gegenüber der Neigung werfen.“

Biologisch inspirierte industrielle Anwendungen

Laut einer Pressemitteilung des CNRS, in der die Studie erläutert wird, könnten die Erkenntnisse des Teams die Entwicklung von „robusten Miniatur-Neigungsmessern, die eine Alternative zu den heutigen Gyroskopen und Beschleunigungsmessern darstellen“ fördern. Neigungsmesser dienen dazu, die Winkel über der Horizontalen zu messen, während Gyroskope verwendet werden, um die Abweichung eines Objekts von seiner gewünschten Orientierung zu erkennen. Letzteres basiert auf dem Prinzip der Erhaltung des Drehimpulses, während Beschleunigungsmesser messen, wie schnell sich die Geschwindigkeit eines Objekts verändert. Anwendungen für solche Sensoren sind unter anderem Smartphones, Trägheitsnavigationssysteme von Flugzeugen und Raketen, Flugstabilisierungssysteme von Drohnen und Kollisionspräventionssysteme in Fahrzeugen.

Wie auf der Projektwebsite angegeben ist, befasst sich PLANTMOVE, das an der Schnittstelle von Pflanzenmechanik und der Physik der weichen Materie ansetzt, mit den grundlegenden Mechanismen, die Pflanzen nutzen, um mechanische Impulse wahrzunehmen und Bewegungen auszulösen. „Wie transportiert man Flüssigkeiten, wie bewegt man Feststoffe, oder wie nimmt man mechanische Signale wahr, wenn man nicht so etwas wie Pumpen, Muskeln oder Nerven hat? Diese Herausforderung, die für Mikrofluidik und Robotik relevant ist, wurde von Pflanzen schon lange gelöst.“

Das laufende PLANTMOVE (Plant movements and mechano-perception: from biophysics to biomimetics)-Projekt nutzt einen interdisziplinären und mehrskaligen Ansatz, um das Verständnis der grundlegenden Pflanzenfunktionen zu verbessern. Wie auf der CORDIS-Projektwebsite angegeben ist, bietet ein solcher Ansatz „neue Strategien, um neue weiche Materialien und Flüssigkeiten zu entwickeln, die durch Pflanzensensoren und ihren Beweglichkeitsmechanismus inspiriert werden.“

Zu verstehen, wie diese Organismen sich an Stress von außen anpassen und nach Nahrung, Wasser und Licht suchen, ist von wesentlicher Bedeutung für die Landwirtschaft und Pflanzenwissenschaft für den besseren Umgang mit Pflanzenressourcen. Auf der Website wird angefügt, dass PLANTMOVE einen vielversprechenden Ansatz für biometrische Designs in Technik und Technologie bietet.

Weitere Informationen:
PLANTMOVE-Projektwebsite