Bionik : Das Rätsel der Ranken ist gelöst

US-amerikanische Biologen und Mathematiker haben entdeckt, wie sich Gurkenpflanzen nach oben ziehen. Das Prinzip könnte sich auf die Entwicklung neuartiger Spiralfedern übertragen lassen.

Doppelfeder. Mikroskopaufnahme einer Ranke. Rechts ist zu sehen, wie die Drehrichtung der Spirale wechselt.
Doppelfeder. Mikroskopaufnahme einer Ranke. Rechts ist zu sehen, wie die Drehrichtung der Spirale wechselt.Foto: Science

Wenn Gurkenpflanzen in die Höhe streben, bilden sie Ranken mit einem so raffinierten Aufbau, dass sie als Vorbild für neuartige technische Federn dienen können. Die Seitensprosse der Gurke funktionieren nämlich anders als normale Spiralfedern: Bei starkem Zug werden sie nicht länger, sondern drehen sich umso enger zusammen. Das Geheimnis liegt in der ungleichen Festigkeit der Rankenzellen, berichten amerikanische Forscher um Sharon Gerbode. Ihnen gelang es sogar, eine künstliche Ranke zu bauen, die dasselbe unerwartete Verhalten zeigt, berichten sie im Fachjournal „Science“.

„Wie verdrillt sich die Gurkenpflanze? Was für eine einfache Frage! Und dann fanden wir diese neue Art von Feder, die bisher niemand beschrieben hatte“, berichtet die Physikerin Sharon Gerbode, damals an der Harvard University, heute am Harvey Mudd College. Gemeinsam mit Mathematikern und Biologen untersuchte sie das ungewöhnliche Verhalten, das Gurken und verwandte Kletterpflanzen an den Tag legen. Zunächst wächst dort ein neuer Ausläufer gerade nach oben, bis er Halt findet und sich um Ast oder Rankgitter windet. Dann zieht sich der lange Strang spiralförmig zusammen – mit einer linksdrehenden und einer rechtsdrehenden Spirale, die in der Mitte „umspringt“ – und hebt so den Rest der Pflanze gegen die Schwerkraft weiter nach oben. Auf plötzlichen Zug verdrillt sich die Ranke nur noch mehr. Erst wenn sie kontinuierlich und kräftig weiter gezogen wird, entrollt sie sich doch wieder, wie andere Spiralen auch.

Das Geheimnis liegt in der asymmetrischen Verteilung spezieller Zellen in der Ranke. Wie ein dünnes Band ziehen sie sich über die ganze Länge des Ausläufers und verhärten sich nach dem Haltfassen der Ranke. Weil das nur auf einer Seite geschieht, verdrillt sie sich.

Gerbode und Kollegen konnten dieses Zellband extrahieren und untersuchen. Im Labor bauten sie die Konstruktion mithilfe eines Silikonbandes nach. Wichtig ist dabei, dass die Spirale nicht über ihre ganze Länge dieselbe Drehrichtung besitzt, sondern an einer Stelle von linksdrehend auf rechtsdrehend umspringt. Schon Darwin hatte diese Stelle benannt, als „Verkehrung“ oder „Perversion“.

Tatsächlich verhielt sich das Labormodell der Wissenschaftler wie das natürliche Vorbild: Auf plötzlichen Zug verdrillte es sich weiter. Die Mathematiker im Team konnten dann die nötigen Parameter analysieren und das Prinzip für künftige Spiralfedern festschreiben. Die Biologen untersuchten die natürlichen Zusammenhänge. An den aus Ranken herausgezogenen Zellbändern zeigte sich, dass das Versteifen mit abnehmender Feuchtigkeit zu tun hat und dass daran Lignin beteiligt ist, das auch bei Bäumen für das Verhärten der Zellwände sorgt. Eine permanente Verhärtung wie bei Holz scheint aber im Lauf der Evolution nicht sinnvoll gewesen zu sein, sagt Gerbode. „Die Pflanze braucht eine sichere Verbindung, aber auch etwas Flexibilität, damit sie nicht bricht, wenn der Wind bläst oder Tiere vorbeistreifen.“ wsa

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