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<\/BR>Biomechanik bei Pflanzen<\/STRONG>
<\/BR>An zwei Beispielen kann erläutert werden, wie gut die in Jahrmillionen-langen Evolutionsprozessen entstandenen pflanzlichen Achsenstrukturen an die auf sie einwirkenden mechanischen Beanspruchungen angepaßt sind: Gras- und Getreide-Halme<\/I> gehören mit Länge\/Durchmesser-Verhältnissen von bis zu 500:1 zu den bemerkenswertesten architektonischen Konstruktionen der Natur. Bei ihnen wird, wie bei vielen Pflanzen mit hohlzylindrischen Achsen, die Gefahr des lokalen Knickens durch eine Untergliederung der Stengel in hohle Internodien (Internodium<\/A>) und massive Nodien (Knoten<\/A>; mit Querdiaphragmen und Nodalverdickungen) vermindert. Biomechanische Analysen zeigen, daß Grashalme<\/I> hinsichtlich ihres Nodienabstands und der Verringerung dieses Abstands zur Achsenbasis hin als \"mechanisch optimierte Leichtbauwerke\" betrachtet werden können, die mit geringem Materialaufwand hohe Biegebelastungen tolerieren. Ebenfalls zur Verringerung der Gefahr des lokalen Knickens trägt bei vielen Grashalmen die innere Parenchymschicht bei, die im Zustand voller Turgeszenz (Turgor<\/A>) in Art einer inneren Druckmanschette den äußeren Sklerenchymring stabilisiert und so das Einbeulen vermindert (\nvgl. Abb.\n III). Außerdem läßt sich bei älteren Halmen häufig eine nach außen hin zunehmende Lignifizierung des Parenchymgewebes beobachten, wodurch eine nahezu optimale Verbindung dieser beiden Gewebe erreicht wird (Süßgräser<\/A>, Bambusgewächse<\/A>).
<\/BR>Analysiert man die ontogenetischen Veränderungen der mechanischen Eigenschaften, so können bei Pflanzen mit sekundärem Dickenwachstum<\/A> drei grundlegende Wuchsformtypen unterschieden werden: nicht-selbsttragende Lianen<\/A>, halb-selbsttragende Spreizklimmer und selbsttragende Bäume und Sträucher. Die Änderungen der mechanischen Eigenschaften lassen sich in quantitativer Weise mit ontogenetischen Änderungen der Achsenanatomie erklären, so daß Struktur und Funktion in eindeutiger Weise korreliert sind (\nvgl. Abb.\n V). Die Ursachen dafür, daß sich bei Lianen und selbsttragenden Holzpflanzen (Holzgewächse<\/A>) die mechanischen Eigenschaften in nahezu gegensätzlicher Weise im Verlauf der Ontogenie verändern, liegen in den unterschiedlichen Selektionsdrucken begründet, die zur Entstehung dieser beiden Wuchsformtypen führten. Selbsttragende Bäume und Sträucher sind mit zunehmender Höhe, vor allem durch die stark ansteigenden Windbiegebelastungen, immer größeren Beanspruchungen ausgesetzt. Folglich ist es für selbsttragende aufrechte Pflanzen von großem Selektionsvorteil, mit zunehmender Stammhöhe nicht nur das Volumen des biegesteifen Holzes in den basalen Stammbereichen zu vermehren, sondern auch die Anordnung im Stammquerschnitt und die Materialeigenschaften im Hinblick auf die biegemechanischen Eigenschaften zu optimieren. Dies führt zu einer Zunahme des Biegeelastizitätsmoduls der Stämme im Verlauf der Ontogenie. Völlig unterschiedliche mechanische Eigenschaften finden sich bei den nicht-selbsttragenden Lianen,<\/I> die eine vollkommen andere ökologische Nische bilden als selbsttragende Pflanzen. Für Lianen ist es von Selektionsvorteil, in frühen Ontogeniestadien relativ biegesteif zu sein, bis sie eine als Stütze geeignete Struktur erreicht haben, an der sie sich verankern können. In späteren Ontogeniestadien, wenn sie bereits an einer Trägerpflanze verankert sind, ist es für Lianen von Selektionsvorteil, wenn ihre Achsen eine gewisse Biege- und Torsionsflexibilität besitzen, wodurch sie Biege- und Torsionskräften bis zu einem gewissen Grad ausweichen können. Diese Veränderungen der mechanischen Eigenschaften bei Lianen werden hervorgerufen durch eine signifikante Abnahme des Anteils der biegesteifen Gewebe am axialen Flächenträgheitsmoment. Typische Spreizklimmer<\/I> besitzen dagegen eine halb-selbsttragende Wuchsform, bei der die mechanischen Eigenschaften im Verlauf der Ontogenie annähernd konstant bleiben. Vermutlich kann dies als evolutive \"Anpassung\" an einen Wuchsformtyp interpretiert werden, der weder eindeutig selbsttragend noch eindeutig lianenartig ist und folglich keine Veränderung des mechanischen Designs im Verlauf der Ontogenie \"erfordert\". Korreliert mit der Konstanz der mechanischen Achseneigenschaften bleibt auch der Achsenaufbau im Verlauf der Ontogenie weitgehend unverändert.
<\/BR>Auffällig ist, daß Pflanzen die in der Ontogenie zu beobachtenden drastischen Veränderungen der mechanischen Eigenschaften durch Änderungen der Struktur auf verschiedenen Komplexitätsniveaus erreichen, während die \"verwendeten\" Materialien – d. h. Cellulose<\/A>, Hemicellulosen<\/A>, Pektine<\/A> und Lignin<\/A> – weitgehend unverändert bleiben. Pflanzliche Achsen können auf mindestens fünf hierarchischen strukturellen Ebenen als Verbundmaterialien<\/I> interpretiert werden. Diese Ebenen, zwischen denen es kontinuierliche Übergänge gibt, können als integrale Ebene (Achsenstruktur), makroskopische Ebene (Gewebestruktur), mikroskopische Ebene (Zellstruktur), ultrastrukturelle Ebene (Zellwandstruktur) und biochemische Ebene (biochemischer Aufbau der Zellwand) bezeichnet werden. Die nahezu optimale Ausnutzung der Struktur ist eines der wesentlichen Unterscheidungsmerkmale zwischen natürlichen und technischen Konstrukten, welche in der Regel hochgradig materialoptimiert, aber nur wenig strukturoptimiert sind, und kann als Anregung für die Entwicklung neuer technischer Verbundmaterialien dienen.
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