Von der Esoterik zur Wissenschaft

In Mythologie- und Fantasy-Geschichten kommen oft Fabelwesen vor, die wie Pflanzen aussehen, jedoch laufen und miteinander sprechen können. Neue Erkenntnisse weisen darauf hin, dass Pflanzen intensiv miteinander kommunizieren. Und nicht nur das – sie können auch zählen und lernen. Was wie ein Hauch von Esoterik klingt, wird mehr und mehr durch Forschungsergebnisse belegt. Ob diese ausreichen, um von „kognitiven Fähigkeiten“ bei Pflanzen zu sprechen, ist jedoch umstritten.

Pflanzen sind an ihrem Standort fest verankert. Auch besitzen sie im Gegensatz zu Tieren kein zentrales Nervensystem, das Informationen verarbeitet und speichert. Doch wie alle anderen Organismen auch sind Pflanzen mit unzähligen Umweltsignalen konfrontiert und müssen sie sich an ihre Umgebung anpassen. Im Kampf ums Überleben kommen Pflanzen ohne Wahrnehmung, Austausch und Verarbeitung von Informationen nicht aus.

Hauptsache die Chemie stimmt

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Die Erkenntnis, dass Pflanzen miteinander „sprechen“ können, wurde erstmals vor ca. 30 Jahren entdeckt – und war in Wissenschaftskreisen erstmal kräftig umstritten. 1983 beschrieb eine Studie, wie von Schädlingen befallene Weiden und Erlen die Resistenz bei nichtbetroffenen Nachbarpflanzen erhöhen. Die Forscher vermuteten, dass die befallenen Pflanzen ihre Nachbarn warnen und diese sich auf die Attacke vorbereiten können.

Die Rede war von einer „indirekten Verteidigung“ und sogar von „sprechenden Pflanzen“, was anderen Wissenschaftlern missfiel. Aufgrund einer eingeschränkten Methodenpalette war dieser Forschungsbereich eher unpopulär und grenzte an Esoterik. Doch einige Forscher waren von der Seriosität der Arbeiten überzeugt und haben weitere Beweise erarbeiten können, welche eine pflanzliche Kommunikation belegen. Doch ist die Sprache eine andere und die Verwendung des Begriffs mehr als Sinnbild zu verstehen. 

Pflanzen setzen eine Vielzahl von flüchtigen organischen Verbindungen (Engl.: volatile organic compounds, kurz VOCs) in die Luft frei. Von Blumen, die Bestäuber anlocken oder zur Herstellung von Parfümen dienen, ist dies allseits bekannt. Aber auch beschädigte Blätter können hunderte verschiedene VOCs freisetzten. Beispiele sind Methylsalicylate, Metyljasmonsäure (aus Jasmonsäure), Limonen, Linalöl, Terpene und β-Caryophyllene, welche als Signalstoffe dienen.

Bekannt ist auch, dass neben den Pflanzen selbst, auch Mikroorganismen, Milben, Käfer, Wespen, Nematoden und sogar Vögel auf die flüchtigen Stoffe reagieren. Die ökologische Relevanz pflanzlicher VOCs ist heute unbestritten – jedoch noch immer erst ansatzweise verstanden.

Chemikalien zur Abstoßung, Anziehung oder Irreführung

Einige VOCs wirken direkt gegen Schädlinge oder Pathogene oder stoßen diese ab. Da es sich in der Natur um ein permanentes Wettrüsten zwischen Wirt und Parasit bzw. Fressfeinden handelt, haben z. B. einige Mikroorganismen die Fähigkeit erworben, die Produktion von VOCs in Pflanzen zu unterdrücken.

Bestimmte Schädlinge gehen VOC-produzierenden Pflanzen aus dem Weg. Die Motte Heliothis virescens frisst nicht an Tabakpflanzen (Nicotiana tabacum), die von ihren Artgenossen bereits befallen wurden und abstoßende VOCs freisetzen. Andere Beispiele sind Raupen der Art Spodoptera littoralis sowie Blattkäfer der Art Gynandrobrotica guerreroensis und Cerotoma ruficornis. Diese werden von der Methyljasmonsäure-produzierenden Limabohne (Phaseolus lunatus) spezifisch abgestoßen.

Andere, durch einen Schädlingsbefall induzierte VOCs rekrutieren Feinde der Fressfeinde. Raubtiere werden durch diese gezielt angelockt und erfahren so, dass an einer Pflanze sichere Beute wartet. Die Pflanze befreit sich so von Herbivoren, die an ihr fressen. Diese Wechselwirkung zwischen Pflanze, Pflanzenfresser und Raubtier wird „tritrophische Interaktion“ genannt. In diesem Kontext dienen die flüchtigen Chemikalien der Pflanzen als eine Art Ortungssignal für andere Spezies.

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Auf subtile Weise schicken einige Orchideen der Gattungen Ophrys oder Chiloglottis Signale in die Umgebung, die männliche Fliegen anziehen. Die Pheromon-ähnlichen Stoffe locken die Fliegen an, die die Blüte für ein geeignetes Weibchen halten und versuchen, sich mit der Blüte zu paaren. Die Orchidee wird bestäubt, ohne dass sie dafür Nektar abgeben muss. Auch diese Art von Kommunikation ist hochspezifisch und wird als Sexualtäuschung bezeichnet. Jede Orchideenspezies der Gattung Chiloglottis setzt eine Mischung von sogenannten Chiloglottonen frei, die jeweils nur eine bestimmte Spezies von Rollwespen anzieht.

Ökologische Bedeutung nicht eindeutig

Eine Frage, die Forscher heute beschäftigt, ist, wer der „vorgesehene“ Adressat dieser pflanzlichen Kommunikation ist. Sind VOCs hochspezifische, durch Co-Evolution entstandene Moleküle zur Kommunikation mit anderen Lebewesen oder haben bestimmte Spezies im Laufe der Zeit gelernt, auf solche Signale im eigenen Interesse zu „lauschen“? Bis auf wenige Ausnahmen sind diese Fragen noch unbeantwortet.

Forscher vermuten, dass die primären Adressaten die Pflanzen selbst sind – entweder andere Organe der VOCs produzierenden Pflanze oder andere Pflanzen. Denn einige VOCs können eine pflanzliche Immunantwort wie die systemische erworbene Resistenz (Engl.: systemic aquired resistance, kurz SAR) induzieren. Metyljasmonsäure zum Beispiel führt zur Resistenz gegen den pathogenen Pilz Fusarium bei der See-Kiefer (Pinus pinaster).

Flüchtige Substanzen können benachbarte Blätter auf unterschiedlichen Ästen schneller erreichen, als es eine Signalübertragung von Zelle zu Zelle erlaubt. Durch die Verästelung müssten die durch die Leitgewebe transportierten Substanzen innerhalb des Pflanzenkörpers eine längere Distanz zurücklegen und diverse Hindernisse überwinden. Andere VOCs werden durch benachbarte Zellen einer beschädigten Stelle als ein Signal interpretiert, so dass diese Stoffe bilden, um die Wunde einzugrenzen und zu schließen.

Der Vermutung zufolge sind vor allem benachbarte Pflanzen der gleichen Art die designierten Signalempfänger. Diese Hypothese besagt, dass Pflanzen lieber ihre eigenen Verwandten als fremde Spezies vor Gefahren warnen. VOCs seien also wichtige Signale für die Verwandtenselektion. Dies bestätigt eine Studie mit dem Wüsten-Beifuß (Artemisia tridentata). Die Forscher fanden heraus, dass die chemische Zusammensetzung der freigesetzten VOCs in verwandten Pflanzen ähnlicher und damit passgenauer ist. Nachgewiesen wurde auch die Vererbung dieser Fähigkeit von einer Generation zur nächsten.

Noch ungeklärt ist hingegen, wie sich VOCs in der Umgebung verhalten. Wie lange und über welche Entfernung bleiben sie in der Atmosphäre stabil und welche Konzentrationen werden benötigt, um den gewünschten Effekt hervorzurufen? Das sind Fragen, die noch nicht zufriedenstellend beantwortet wurden. Obwohl die analytischen Möglichkeiten sich mehr und mehr verfeinert haben, Feldversuche mit VOCs bleiben schwierig in der Durchführung.

Effekt der chemischen Kommunikation bei den Pflanzen

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Noch unentdeckt sind die Rezeptoren für VOCs. Bekannt ist, dass Pflanzen eine „Nase“ für VOCs besitzen, die weniger spezifisch und sensibel ist, als die bei Tieren. Im Vergleich zu Tiere können Pflanzen weniger flüchtige Substanzen wahrnehmen und diese lediglich bei höheren Konzentrationen.

Phytohormone und deren Derivate spielen in Pflanzen bei der VOC-Kommunikation sowie bei weiteren zahlreichen Prozessen auch eine wichtige Rolle. Zelluläre Antworten auf der Transkriptom-Ebene sind bereits beschrieben worden. Erstaunlicherweise beobachteten Forscher keine bedeutenden Änderungen in der Genexpression pflanzlicher Zellen nach VOC-Wahrnehmung. Dies wurde beim Mais (Zea mays) und beim wilden Tabak (Nicotiana attenuata) sowie bei der Limabohne festgestellt, obwohl die Pflanzen nach VOC-Wahrnehmung resistenter gegenüber Schädlingen waren.

Besser erforscht sind weitere Folgereaktionen auf der zellulären Ebene. Ergebnissen zufolge lagern sich die VOCs in der fetthaltigen Zellmembran der Pflanze ein. Dort reichern sich diese an, bis eine ausreichende Konzentration an VOCs vorliegt, bevor eine Reaktion einsetzt. Dieser Ablagerungseffekt könnte durchaus der Grund sein, warum noch keine VOC-Rezeptoren entdeckt wurden.

Fettlösliche VOCs gelten als effektivere Botenstoffe im Vergleich zu den wasserlöslichen. Zu den physiologischen Effekten nach VOC-Wahrnehmung zählen insbesondere den Verlust des Aktionspotentials der betroffenen Zellen (eine sogenannte „Depolarisierung“), die die Reaktion der Pflanze in Gang setzt. Hierfür ist eine zeitlich begrenzte höhere Konzentration an Kalzium-Ionen (Ca²⁺) im Cytosol verantwortlich. In dieser Hinsicht ist es spannend zu vermerken, dass auch bei der Geruchswahrnehmung bei den Tieren eine Depolarisation der Membran stattfindet. Dies ist höchstwahrscheinlich durch die evolutive Erhaltung der grundlegenden physiologischen Mechanismen bei allen Lebewesen zu erklären (siehe weiter unten im Text).

Schlagartige Reaktionen auf eine VOC-Wahrnehmung sind bei Pflanzen somit weniger zu erwarten. Stattdessen beobachtete man eine Konditionierung der Pflanzen. Eine VOC-Reaktion ist stärker und schneller bei einer zweiten Exposition mit einer der flüchtigen Substanzen. Dieser Effekt wird bei Pflanzen als „Priming“ bezeichnet.

Die Anreicherung von Substanzen in den Zellmembranen kann auch zu epigenetischen Veränderungen führen – also Eigenschaften, die nicht in, sondern auf dem Erbgut festgeschrieben werden. Zum Teil können diese Veränderungen auf der Struktur der DNA an Nachkommen weitergegeben werden. Spuren epigenetischen VOC-Reaktion waren auch nach mehreren Generationen noch nachweisbar.

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Kommunikation auf unterirdisch

Kommunikation findet nicht nur in der Luft, sondern auch unterirdisch statt – in der Rhizosphäre, einem der wichtigsten Ökosysteme überhaupt. Im Boden werden hunderte Chemikalien als Exsudate freigesetzt. Wurzeln sind miteinander vernetzt. Sie tauschen jedoch nicht nur Nährstoffe aus, was wohl ein Grund dafür ist, warum Baumstümpfen auch ohne Photosynthese zu betreiben überlebensfähig sind. Auch warnen sie benachbarte Pflanzen vor einer bevorstehenden Dürre. Wissenschaftler sprechen von einem „wood wide web“. Neue Erkenntnissen legen nahe, dass das Wurzelmikrobiom und der Genotyp der Pflanzen stärker als zuvor gedacht voneinander abhängen. Diese Art von Wechselwirkungen ist größtenteils noch unverstanden, spielt jedoch für die Gesundheit der Pflanze und die Ernteerträge eine wichtige Rolle.

Mehr als nur Chemie

Doch Pflanzen können durchaus mehr, als nur chemische Botenstoffe auszutauschen. Sie sind prädisponiert, Aufgaben wahrzunehmen, die auch für uns Menschen erst nach 1-2 Jahren Lebenszeit möglich sind.

Pflanzen, die lernen können

Pflanzen können lernen, sagt eine Studie. Lernen heißt, eine Art von Gedächtnis zu besitzen in dem bestimmten Ereignissen und Handlungsstrategien abgespeichert und abgerufen werden können und das Verhalten dementsprechend zu verändern. Lernen ist eine wichtige Eigenschaft, um sich an die Umwelt und deren Veränderungen anzupassen. Während bei Tieren beispielsweise die Körperhaltung ein typisches Verhaltensmerkmal ist, klappt die Mimose (Mimosa pudica) nach Erschütterungen oder Berührungen ihre Blätter ein. Diesen Schutzmechanismus kann man als ein Verhalten beschreiben.

Die Studie nahm dieses Phänomen etwas genauer unter die Lupe. So setzten die Forscher Mimosen einem wiederholten freien Fall aus 15 Zentimeter Höhe und damit einem Reiz aus, der sie zum Einklappen ihrer Blätter zwingt, jedoch die Pflanze nicht beschädigt. Nach 60 Wiederholungen des Fallexperiments beobachteten die Forscher, das die Mimose nicht mehr auf den Reiz reagierte. Dieser wird als unwichtig einstuft. Auf andere Berührungen reagiert die Pflanze trotzdem noch mit dem Einklappen der Blätter. Die Studie beweist: Mimosen besitzen eine erlernte Verhaltensunterdrückung (auch Habituation genannt). Diese einfache Form des Lernens sieht vor, dass ein Organismus befähigt ist, wichtige von unwichtigen Informationen zu trennen. Hinter diesen unterschiedlichen Reaktionen steckt ein überlebenswichtiger Optimierungsansatz. Denn Lernen lohnt sich – auch bei Pflanzen. Werden die Blätter eingeklappt, kann die Mimose keine Photosynthese betreiben.

Um diese Beobachtung zu untermauern, variierten die Forscher das experimentelle Design auch in Punkto Lichtintensität. Vor allem Mimosen die viel Licht ausgesetzt waren, passten ihr Verhalten schneller und längerfristig an. Sie entwickelten quasi ein „besseres“ Gedächtnis. Die Umgebung beeinflusst die Ausprägung des Lernens bei der Mimose genauso wie bei Tieren.

Auf der molekularen Ebene gibt es weitere Formen einer Form von Gedächtnis. Epigenetische Veränderung und das “Priming”, die bereits beschrieben wurden, zählen zu solchen. Diese Mechanismen sind natürlich nicht nur an der VOC-Wahrnehmung, sondern an vielen weiteren Prozessen beteiligt.

Können Pflanzen zählen?

Ja, beweist eine aktuelle Studie an einer ganz besonderen Pflanze. Die fleischfressende Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) wächst auf nährstoffarmen Böden. Dies gelingt ihr, da sie in der Lage ist, Nährstoffe wie Stickstoff und Natrium aus anderen Quellen zu erschließen. Mit ihren zu Fallen umgebildeten Blättern kann sie Fliegen und andere Insekten fangen und verdauen, und somit eine Extraportion Nährstoffe aufnehmen.

Die zu Fallen umgebildeten Blattspitzen besitzen in ihrem Zentrum Sinneshaare. Diese sind in der Lage Bewegungsreize zu erfassen und diese als Signal weiterzuleiten. Nach bereits zwei Berührungen der Sinnesorgane schnappt die Falle zu. Die gefangene Beute versucht sich zu befreien, was zu weiteren Berührungen der Sinneshaare führt und die Falle fester verschließen lässt. Erst nach exakt fünf Bewegungsreizen werden Verdauungsenzyme abgesondert. Die Beute beginnt sich zu zersetzen.

Die Pflanze ist somit in der Lage die Anzahl der Bewegungsreize zu erfassen und über diese unterschiedlichen Aktionen, das Fangen und das Verdauen der Beute, zu koordinieren. Welchen Vorteil hat es für die Pflanze, eine solche Unterscheidung zu treffen? Zum einen wird vermieden, dass sich die Falle durch zufällige Berührungen, z. B. ein vom Wind herbeigewehtes Blatt, unnötig verschließt. Erst mit der zunehmenden Gewissheit, dass es sich tatsächlich um ein Beutetier handelt, werden auch die Verdauungsenzyme abgesondert. Ein Fehler würde die Pflanze zusätzliche Energie kosten, so dass der Vorteil durch die Erschließung einer zusätzlichen Nährstoffquelle verloren ginge.

Kurzgefasst: Die Venusfliegenfalle kann zählen – zumindest bis fünf.

Gibt es eine Relevanz für die Landwirtschaft?

Die Fähigkeit der Pflanzen, miteinander zu kommunizieren, könnte noch gezielter vom Menschen genutzt werden. Zum Beispiel, um sie besser vor Krankheiten und Schädlingen zu schützen und gleichzeitig Pestizide einzusparen oder um sie zu befähigen, vorhandene Nährstoffe besser zu nutzen oder sie widerstandsfähiger gegen Extreme wie Trockenheit oder Dürre zu machen. Noch sind die beschriebenen Erkenntnisse nur zufällig in die land- oder forstwirtschaftliche und gärtnerische Praxis integriert. Diese konsequenter umzusetzen würde helfen, die Produktion umweltfreundlicher und vor allem nachhaltiger zu gestalten, da Erträge und damit auch das Einkommen der Bauern und Waldbesitzer gesichert würden.  

Viele Kultursorten haben durch die Züchtung die Fähigkeit verloren, eine vielseitige Palette an VOCs zu produzieren. Der „Dialog“ den Pflanzen mithilfe von flüchtigen Stoffen führen, war nicht bekannt und wurde als Zuchtziel übersehen. Die Kommunikationswege der Pflanzen erweisen sich zunehmend als eine Art Feinregulierung der Pflanzen mit bzw. in ihrer Umwelt.

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Lösungsansätze mit gentechnisch-modifizierten Pflanzen, die VOC freisetzten und so ihre Nachbarn schützen, sind für die Erforschung der Zusammenhänge interessant. Für den gezielten Einsatz in der Praxis, sind diese noch nicht ausgereift genug, um auf andere Maßnahmen verzichten zu können. Denkbar ist, dass neue Sorten nicht nur sich selbst, sondern auch zum Schutz von anderen Pflanzen genutzt werden. Werden diese Eigenschaften mit Hilfe gentechnischen Methoden in eine Sorte eingebracht, würden die gentechnisch veränderte Pflanzen nicht zwangsläufig auf dem Teller landen, da diese lediglich zum Schutz anderer Kulturpflanzen angebaut würden. Aber auch durch klassische Züchtung ließe sich die natürliche Verteidigung verstärken. Damit dies gelingt, gilt es, Fragen wie die der Reichweite, der Konzentration und der Zusammensetzung der VOCs und deren ökologischen Bedeutung zu erforschen.

Pflanzenforschung und Esoterik voneinander trennen

Die aktuelle Forschung zeigt, dass Pflanzen in der Lage sind, Informationen auszusenden, wahrzunehmen und diese zu verarbeiten, so dass eine Verhaltensteuerung geschieht. Pflanzen können einfache Formen eines „Lernens“ entwickeln und einige können sogar zählen. Im Tierreich bezeichnet man solche Eigenschaft als „Kognition“. Doch diese Fähigkeiten sind bei Tieren und Pflanzen unterschiedlich ausgeprägt. Nicht zuletzt auf Grund der Tatsache, dass Pflanzen kein zentrales Nervensystem besitzen. Aus diesem Grund ist es abgesehen von einer populären Bildsprache wissenschaftlich eher unangemessen, von „kognitiven Fähigkeiten“ zu sprechen.

Die Sorge in den Bereich der Esoterik gerückt zu werden, ist real und einer wissenschaftlich basierten Forschung nicht zuträglich. Beide Bereiche, Wissenschaft und Esoterik, müssen streng voneinander getrennt werden, da sie außer dem Objekt der Betrachtung, in diesem Fall den Pflanzen, keine Berührungspunkte haben. Die Prinzipien der chemischen Kommunikation und Informationswahrnehmung sind in vielen Lebewesen evolutiv verankert. Menschliche Hautzellen und Bakterien sind zum Beispiel in der Lage, durch Sensorproteine Licht wahrzunehmen. Aber nur in plakativen Überschriften lassen sich diese mit hochentwickelten Augen vergleichen. Vielmehr zeigen sie den Weg, den unterschiedliche Sinnesorgane über Jahrmillionen beschritten haben und weiter beschreiten.

Nichtsdestotrotz oder vielleicht gerade wegen dieser Homologie sind diese neuen Erkenntnisse nicht nur wissenschaftlich spannend, sondern auch massenwirksam, was ein breiteres Interesse weckt. In jedem Fall beweisen sie, dass Pflanzen sehr gute Kommunikatoren sind.