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Biophysik: Sporenkatapult des Farns ergründet

Sporangium des Goldtüpfelfarns

Farnpflanzen katapultieren ihre Sporen förmlich in die Welt hinaus und sind mit dieser Methode erstaunlich effektiv. Wie diese pflanzliche Schleuder funktioniert, haben Xavier Noblin vom Labor für Physik der kondensierten Materie von der französischen Forschungsorganisation CNRS und Kollegen nun untersucht. Demnach sind letztlich zwei entgegengesetzt wirkende Kräfte entscheidend, um die Sporen abzufeuern.

In ihren Experimenten filmten die Wissenschaftler Blätter des Goldtüpfelfarns (Phlebodium aureum) mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Eingebettet unter den Farnblättern befinden sich kleine Kapseln, gefüllt mit Sporen. Um diese Sporenbehälter wickelt sich der sogenannte Anulus, eine Reihe aus 12 bis 13 Zellen mit stark verdickten Innen- und Zwischenwänden, aber dünnen Außenwänden.

Sporangium des Goldtüpfelfarns
Sporangium des Goldtüpfelfarns | Um die Sporenbehälter des Goldtüpfelfarns (Phlebodium aureum) wickelt sich bogenförmig der sogenannte Anulus, eine Reihe aus 12 bis 13 Zellen mit stark verdickten Innen- und Zwischenwänden, aber dünnen Außenwänden (hier blau eingefärbt). Anfänglich sind die Zellen mit reichlich Wasser gefüllt, doch während der Sporen reift, trocknen sie allmählich aus. Da ihr Volumen schrumpft, rücken die Zwischenwände näher zusammen, während die schwache Außenwand nachgibt und sich die gesamte Zellreihe ähnlich einer Ziehharmonika auseinanderbiegt, wobei sich der Sporenbehälter an einer vorbestimmten Stelle öffnet – das Katapult ist geladen.

Anfänglich sind die Zellen mit reichlich Wasser gefüllt, doch während die Sporen reifen, trocknen sie allmählich aus. Infolgedessen schrumpft ihr Volumen. Die Zwischenwände rücken nun immer näher zusammen, während die schwache Außenwand mehr und mehr einknickt. Schließlich biegt sich die gesamte Zellreihe ähnlich einer Ziehharmonika auseinander, wobei sich der Sporenbehälter an einer vorbestimmten Stelle öffnet – das Katapult ist geladen.

Durch das verdunstende Wasser ändert sich auch der Druck innerhalb der Zellen. Ist ein kritischen Wert erreicht, kommt es zum Phänomen der Kavitation: In den Zellen bilden sich Luftblasen, woraufhin sie sich zur ursprünglichen Größe ausdehnen. Angefangen bei einer Zelle, folgen in einer Art Dominoeffekt auch die übrigen Anuluszellen. Die starken Innenwände wirken nun wie eine gespannte Feder und krümmen die Zellreihe innerhalb von rund zehn Mikrosekunden in die entgegengesetzte Richtung – die Sporen schleudern kurz darauf mit einer Geschwindigkeit von bis zu zehn Metern pro Sekunde aus der geöffneten Sporenkapsel heraus.

Bei diesem Vorgang schließt sich der Anulus nur um 30 bis 40 Prozent und kehrt nicht komplett in seine ursprüngliche Form zurück – analog zu einem mittelalterlichen Katapult, das allerdings mit einem Querbalken ausgestattet ist, um die Bewegung des Hebelarms auf halbem Weg zu stoppen. Ohne diesen Mechanismus würde ein Katapult seine Ladung direkt in den Erdboden schießen. Noblin und seine Kollegen untersuchten nun, wie die pflanzliche Variante dieses Problem – offenbar ganz ohne Querbalken – umgeht. Fündig wurden sie in der schwammartigen Struktur des Anulus, die zu zwei verschiedenen Phasen beim Schließen führt.

Zunächst wird die in der Zellreihe gespeicherte elastische Energie in kinetische Energie umgewandelt, die Sporen werden beschleunigt. Die Form des Anulus ändert sich dabei innerhalb von Mikrosekunden – zu schnell für das darin gespeicherte Wasser, das durch winzige Poren in den dicken Zellzwischenwänden strömen muss. Als Folge wird der mit Sporen bepackte Hebelarm abrupt abgebremst und gibt seine Ladung frei. Erst nach ein paar hundert Millisekunden hat sich das Wasser seinen Weg gebahnt und der Anulus schließt zu rund 85 Prozent. Noblin und sein Team sind begeistert, dass ein Dutzend aufgereihte Zellen in der Lage sind, alle Funktionen eines mittelalterlichen Katapults nachzubilden.

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