Wann schnappen fleischfressende Pflanzen zu?

Haare der Venusfliegenfalle sind mechanische Feinsensoren

22.07.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) ist eine fleischfressende Pflanze, die mit ihren Fangblättern Beute einfängt. (Bildquelle: © Corrie Miracle/Pixabay/CC0)
Die Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) ist eine fleischfressende Pflanze, die mit ihren Fangblättern Beute einfängt. (Bildquelle: © Corrie Miracle/Pixabay/CC0)

Auf den Fangblättern der Venusfliegenfalle sitzen feine Fühlborsten. Werden diese von Insekten berührt, schnappt die Pflanze zu und die Beute sitzt in der Falle. Welche Rolle die feinen Härchen genau spielen und welche Reize die Falle auslösen, hat jetzt ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universität Würzburg analysiert.

Drei Milligramm genügen, damit die Venusfliegenfalle weiß, dass eine Fliege auf ihrem Fangblatt herumkrabbelt. Es geht dabei aber nicht um das Gewicht an sich, sondern die Kraft, mit der die Fliege die Fühlborsten berührt. Zu diesem Resultat kommen Pflanzenphysiologen der Universität Würzburg, die gemeinsam mit internationalen Kollegen die Fühlborsten der fleischfressenden Pflanze vermessen haben. Wie feine mechanische Sensoren sorgen sie dafür, dass die Falle zuschnappt.

Schnellste Bewegung im Pflanzenreich

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Auf dem Fangblatt einer Venusfliegenfalle sieht man deutlich die Fühlborsten, die das Zuschnappen auslösen.

Quelle: © Noah Elhardt/Wikimedia.org; CC-BY-SA-2.5.

Die Fühlborsten, von denen es auf einem Fangblatt drei bis neun Stück gibt, bestehen aus einer Basis mit sensorischen Zellen und oberhalb einer Verjüngung einem Hebel. Wird ein solches Haar innerhalb von 20 Sekunden zweimal stimuliert – oder zwei Haare derselben Falle –, entstehen Aktionspotentiale (AP), die sich über das gesamte Blatt ausbreiten. Dadurch schnappt das Fangblatt wie ein Fangeisen zu: Das zuvor konvex aufgespannte Blatt entspannt sich und schlägt innerhalb von weniger als 100 Millisekunden in eine konkave Form um und schließt die Beute ein.

Allerdings führen erst weitere Bewegungen der Beute dazu, dass sich das Blatt vollständig schließt und die Verdauung beginnt. Bislang war unklar, ob die Berührung der Fühlborsten auch ursächlich für diesen zweiten Schritt ist oder ob weitere sensorische Organe daran beteiligt sind. Rund 60 elektrische Potenziale infolge der Bewegungen der Beute haben die Forscher in der ersten Stunde nach dem Zuschnappen gemessen. In einer Mutante der Venusfliegenfalle ohne Fühlborsten lösten die Wissenschaftler das Zuschnappen mechanisch aus und beobachteten, was weiter geschah: nichts. Weder entstanden weitere Aktionspotenziale noch begann die Pflanze, ihre Beute zu verdauen. Stattdessen öffnete sie nach einigen Stunden wieder ihr Fangblatt, wie es der Wildtyp bei einem Fehlschlag macht. Das gleiche ließ sich beobachten, wenn einer Wildtyp-Pflanze die Fühlborsten entfernt worden waren.

Fühlborsten lassen die Falle schließen

Versuchten die Wissenschaftler, durch direkten mechanischen Druck auf das Fangblattgewebe Aktionspotenziale auszulösen, benötigten sie mehr als 180 Millinewton pro Quadratmillimeter, bis zumindest jede zweite Stimulation ein Aktionspotenzial auslöste – etwa das Zweihundertfache dessen, was das Körpergewicht von Insekten an Druck aufbringt. „Das zeigt, dass die Fühlborsten ausschlaggebend sind für die insekteninduzierte AP-Erzeugung, die ihrerseits sowohl für das Fangen wie das Verdauen der Beute notwendig ist“, resümieren die Forscher.

Im Folgenden analysierten sie die Fühlborsten genauer. Zum einen filmten sie die Berührungen durch Ameisen, zum anderen erzeugten sie präzise mechanische Einflüsse auf die feinen Haare. In beiden Fällen erfassten sie außerdem die resultierenden Aktionspotenziale.

Bei den Ameisen zeigte sich, dass die Fühlborsten für Ameisen kein sonderliches Hindernis darstellten. Die Bewegungskraft der Sechsbeiner war deutlich größer, als die Spannung der Fühlborsten. Krabbelten die Ameisen im Versuch gegen eine Borste, bog sich diese im Durchschnitt um vier Grad nach hinten und das mit einer Winkelgeschwindigkeit von rund 85 Grad pro Sekunde. Es gab aber auch Fälle, in denen die Fühlborste kaum oder sogar um bis zu 38 Grad gebeugt wurde.

Leichte Berührungen genügen als Auslöser

Messungen zeigten, dass der kleinste Beugungswinkel, der ein Aktionspotenzial auslöste, 2,9 Grad war. Die dazu nötige Kraft betrug 29 Mikronewton. Demnach waren die Fühlborsten empfindlich genug, um mehr als jede zweite Ameisenberührungen wahrzunehmen. Möglich macht das wohl der Aufbau der Haare: Der größere Durchmesser der Basis und die konische Form der Haarspitze verhindern übermäßige Bewegungen der Haarspitze und geben dem Haar trotz geringer Masse hohe Stabilität. Dadurch genügt bereits wenig Kraft an der Spitze, um an der Basis ein Signal auszulösen.

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Die Venusfliegenfalle erkennt die Größe ihrer Beute. Zu kleine Insekten (links) sind nicht in der Lage die nötige Kraft aufzubringen, um das sensorische Haar der Pflanze zu stimulieren (rechts).

Quelle: © Sönke Scherzer

Die Winkelgeschwindigkeit der Haarkrümmung erwies sich in der Praxis als nicht limitierend: Zwar erzeugte eine Geschwindigkeit unterhalb von 3,5 Grad pro Sekunde kein Aktionspotenzial mehr, doch die langsamste, bei Ameisenkontakt gemessene Winkelgeschwindigkeit betrug mehr als das Vierfache (14,5 Grad pro Sekunde).

Desensibilisierung durch schnelle Reizwiederholung und Kälte

Wiederholter mechanischer Stress dagegen machte den Fühlborsten wenig aus: Stimulierten die Forscher eines der Haare im Zehn-Sekunden-Takt, erzeugte jede Berührung ein Aktionspotenzial. Allerdings verlängerte sich mit der Zahl der Berührungen die Zeit, die zwischen der Berührung und dem Auftreten des Aktionspotenzials verging. Erst bei einer Frequenz von 0,4 Hertz (eine Berührung alle 2,5 Sekunden) blieb das Aktionspotenzial schließlich komplett aus. Die aus den Wiederholungen resultierende Desensibilisierung des Fangblattes erwies sich als haarspezifisch: Wurde eine Fühlborste so lange stimuliert, bis sie keine Aktionspotenziale mehr erzeugte, reagierten benachbarte Borsten dennoch unverändert.

Einen letzten Einflussfaktor entdeckten die Forscher in der Umgebungstemperatur der in warmen Gefilden beheimateten Pflanzen. Während bei 30 Grad Celsius jede Berührung ein Aktionspotenzial auslöste, galt das bei zehn Grad Celsius nur noch für jeden dritten Stimulus. Auch die Reaktionsgeschwindigkeit verlängerte sich mit sinkender Temperatur. Unverändert blieb hingegen die auf die Borste ausgeübte Kraft, die nötig war, um ein Aktionspotenzial zu erzeugen. Der Mechanismus, der der Desensibilisierung der Fühlborsten zugrunde liegt, müsse demnach temperaturabhängig sein, folgern die Autoren der Studie. Um die molekularen Mechanismen hinter den beobachteten Eigenschaften der als mechanische Sensoren agierenden Fühlborsten zu verstehen, seien nun weitere Studien erforderlich.

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