Warum bewegen sich Pflanzen? Wissenschaftler lösen ein altes Rätsel, das Charles Darwin vor ein Rätsel stellte

Eine Studie hat ergeben, dass die unregelmäßigen Bewegungen einer Sonnenblume dabei helfen, das Sonnenlicht zu lokalisieren, was Einblicke in das Pflanzenverhalten und mögliche landwirtschaftliche Vorteile liefert.

In einer neuen Studie ist es Physikern aus den USA und Israel möglicherweise gelungen, eine Erklärung für ein seltsames Verhalten beim Pflanzenwachstum zu finden, ein Rätsel, das Charles Darwin selbst in den letzten Jahrzehnten seines Lebens vor Rätsel stellte.

Für viele Menschen wirken Pflanzen möglicherweise statisch und sogar etwas langweilig. Aber das grüne Zeug bewegt tatsächlich viel. Wenn Sie sich beispielsweise ein Zeitraffervideo ansehen, in dem ein Sonnenblumenkeimling aus der Erde sprießt, wächst er nicht gerade nach oben. Stattdessen dreht sich die Krone einer Sonnenblume, wenn sie wächst, im Kreis, windet sich in Spiralen und windet sich im Allgemeinen – wenn auch sehr langsam.

Nun haben Forscher um Orit Peleg von der University of Colorado Boulder und Yasmin Miroz von der Universität Tel Aviv eine Rolle für diese chaotischen Bewegungen, auch „Rotationen“ genannt, entdeckt. In Gewächshausexperimenten und Computersimulationen zeigte die Gruppe, dass Sonnenblumen von der Rotation profitieren, um ihre Umgebung nach Flecken mit Sonnenlicht abzusuchen.

„Viele Menschen berücksichtigen Pflanzenbewegungen nicht wirklich, weil wir Menschen Pflanzen normalerweise mit der falschen Bildrate betrachten“, sagte Peleg, einer der Autoren der Studie und außerordentlicher Professor am BioFrontiers Institute und der Abteilung für Computer Wissenschaft.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse am 15. August in der Fachzeitschrift Körperliche Untersuchung X.

Diese Erkenntnisse könnten Landwirten eines Tages dabei helfen, neue Strategien für den effizienteren Anbau einer Reihe von Nutzpflanzen zu entwickeln.

„Unser Team beschäftigt sich intensiv mit sozialen Interaktionen in Insektenschwärmen und anderen Tiergruppen“, sagte Chantal Nguyen, Hauptautorin und Postdoktorandin bei BioFrontiers.

„Aber diese Forschung ist besonders interessant, weil wir bei Pflanzen eine ähnliche Dynamik sehen. Sie sind im Boden verwurzelt.“

Darwins Wahl

Pflanzen bewegen sich normalerweise nicht wie Tiere, fügte Nguyen hinzu, sondern sie bewegen sich, indem sie im Laufe der Zeit in verschiedene Richtungen wachsen. Dieses Phänomen faszinierte Darwin noch lange nach seiner Rückkehr von seiner Reise auf dem Kriegsschiff Beagle. Nach historischen Berichten.

In den 1860er Jahren verbrachte Darwin, der damals an einer Reihe von Krankheiten litt, die seine Mobilität einschränkten, Tage damit, Pflanzen in seinem Haus zu beobachten. Er pflanzte Samen von Gurken und anderen Pflanzen. KlassifizierenAnschließend verfolgten sie, wie sich ihre Kronen von Tag zu Tag bewegten – und die resultierenden Karten sahen zufällig und verrückt aus.

„Ich habe viel Freude an meinen Locken – es ist genau die Art von Belästigung, die zu mir passt.“ Er schrieb 1863 an einen Freund.

Ob Darwin nun amüsiert war oder nicht, er konnte sich nicht erklären, warum einige seiner Haare verdreht waren.

Es ist ein Rätsel, das auch Meroz, einem ausgebildeten Physiker, Kopfzerbrechen bereitete. Eine Studie wurde 2017 durchgeführt Diese Forschung zeigte ihr die richtige Richtung. In dieser Forschung züchteten Wissenschaftler unter der Leitung der Universität Buenos Aires Reihen von Sonnenblumen unter beengten Bedingungen. Sie entdeckten, dass sich die Pflanzen auf natürliche und gleichmäßige Weise in einem Zickzackmuster anordneten, fast wie die Zähne eines Reißverschlusses. Diese Anordnung dürfte den Pflanzen als Gruppe dabei helfen, ihren Zugang zum Sonnenlicht zu maximieren.

Miroz fragte sich, ob Pflanzenvibrationen der Motor sein könnten, der solche Muster im Pflanzenwachstum antreibt.

„Bei Kletterpflanzen geht es natürlich darum, Stützen zu finden, an denen man sich festhalten kann“, sagt Miroz, Professor für Pflanzenwissenschaften und Ernährungssicherheit. „Aber bei anderen Pflanzen ist es nicht klar, warum es sich lohnt.“

Hier kommt die Sonne

Um das herauszufinden, pflanzten sie und ihre Kollegen fünf Wochen alte Sonnenblumen in Reihen. Dann kartierten sie, wie Darwin vor ihnen, die Bewegung der Pflanzen im Laufe der Woche.

Als nächstes entwickelten Nguyen und Bligh ein Computerprogramm, um die Muster zu analysieren, die das Sonnenblumenwachstum steuern. Mithilfe von Computersimulationen konnten die Forscher auch sehen, was passieren würde, wenn sich die Sonnenblumen mehr oder weniger bewegten – mit anderen Worten, wenn sie sich zufällig oder in einem langsamen, gleichmäßigen Muster bewegten.

Die Gruppe stellte fest, dass sich die digitalen Pflanzen, wenn sie sich überhaupt nicht bewegen würden, alle in einer geraden Linie voneinander weg neigen würden. Wenn sie sich hingegen viel bewegen, wachsen sie in einem zufälligen Muster. Aber wenn sie sich mit genau dem richtigen Maß an Zufälligkeit bewegen, bilden Sonnenblumen diese charakteristische Zickzackform, die bei echten Pflanzen viel Zugang zum Sonnenlicht bietet. Pflanzen scheinen sich zu drehen, um herauszufinden, woher das beste Licht kommt, und wachsen dann in diese Richtung, erklärte Nguyen.

„Wenn man dem System ein wenig Rauschen hinzufügt, ermöglicht es der Pflanze, ihre Umgebung zu erkunden und sich in die Konfigurationen einzuleben, die es jeder Pflanze ermöglichen, maximale Lichtexposition zu finden. Das führt zu diesem wunderschönen Zickzackmuster, das wir sehen“, sagte sie .

In zukünftigen Experimenten werden die Forscher testen, wie Sonnenblumen in komplexeren Anordnungen wachsen. Miroz ihrerseits freut sich, dass Pflanzen für ihre Bewegungsfähigkeit und Einflussnahme Anerkennung erfahren.

„Wenn wir alle auf der gleichen Zeitskala leben würden wie Pflanzen, könnte man die Straße entlanggehen und sehen, wie sie sich bewegen“, sagte sie. „Wir haben wahrscheinlich alle Pflanzen als Haustiere.“

Referenz: „Lärmige Kreise erleichtern die selbstregulierte Schattenvermeidung in Sonnenblumen“ von Chantal Nguyen, Imre Dromi, Ahron Kempinski, Gabriela E. C. Gall, Orit Peleg und Yasmin Meroz, 15. August 2024, Körperliche Untersuchung X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.14.031027