Die Physik der Lilienblüte

Die Knospe bricht auf, weil Blütenblätter am Rand schneller zulegen - Ergebnis bestätigt Goethes Theorie vom Ursprung der Blüten und verspricht technische Anwendungen

Lilienblüte
Lilienblüte

Cambridge (USA) - Dichter aller Zeiten haben die Lilienblüte besungen - wissenschaftlich verstanden ist sie erst jetzt: US-Forscher fanden heraus, welche Vorgänge und Kräfte in der Knospe die Blüte zum Entfalten bringen. Dass die Ränder und nicht die Mittelrippe der Blütenblätter schneller wachsen und den nötigen Druck in der Knospe aufbauen, widerlegt bisherige Theorien, schreiben sie in den "Proceedings of the National Academy of Sciences". Zugleich untermauern die Ergebnisse eine Annahme des Dichterfürsten Goethe. Er hatte als Naturforscher postuliert, dass Blütenblätter und Blätter einst aus einem gemeinsamen Ursprung entstanden. Die Erkenntnisse über das Erblühen der Lilie könnten sich auch auf ähnliche Blütenformen übertragen lassen. Vor allem aber winken technische Anwendungen im Bereich elastischer dünner Schichten und entfaltbarer Strukturen.

"Am überraschendsten ist, dass ein Objekt, das so viele Metaphern hat - das Erblühen einer Blume - so wenig aus einer quantitativen Sicht untersucht worden war", erklärt Lakshminarayanan Mahadevan, Professor für Angewandte Mathematik und Biologische Dynamik an der Harvard University. "Unsere Beobachtungen zeigen, dass sich die Ränder der Blütenblätter kräuseln, wenn die Blüte sich öffnet, was darauf schließen lässt, dass differentielles Wachstum die Entwicklung dieser Strukturen vorantreibt", schreibt er gemeinsam mit Haiyi Liang, der mittlerweile an der chinesischen Universität Hefei lehrt. Die Forscher hatten Knospen der orientalischen Lilie (Lilium casablanca) beim Erblühen beobachtet und analysiert: Sie markierten unter anderem Ränder und Mittelrippe der Blütenblätter mit Punkten und filmten die sich öffnenden Knospen über vier Tage lang, jeweils in einminütigen Abständen. Es zeigte sich, dass die zentrale Linie der Blütenblätter um rund 10 Prozent wuchs, während ihre Ränder um rund 20 Prozent zulegten. Damit baut sich noch in der geschlossenen Knospe ein hoher Druck auf und die Blütenränder sind beim Öffnen gekräuselt.

Lilienblüten zeigen sechs große, überlappende Blütenblätter, wobei nur die oberen drei echte Kronblätter, so genannte Petalen sind, die unteren drei sind Kelchblätter, Sepalen, die bei anderen Blüten oft kleiner und grün ausfallen. Je eine steife Mittelrippe durchzieht jedes Blütenblatt, die Kanten der Kelchblätter lagern in Mulden an den Mittelrippen der Kronblätter und halten die Knospe geschlossen, bis sie unter dem steigenden Druck der wachsenden Blütenblätter aufplatzt. Bisher hatte man vermutet, dass ein stärkeres Wachstum der Mittelrippen den nötigen Druck aufbaut - oder dass die flache Innenseite der Blätter deutlich stärker zulegt als ihre Außenseite. Bei einigen anderen Blüten führt das zum Öffnen der Knospe. Doch Mahadevan und Liang überprüften dies per Skalpell: Sie schnitten bei je einem Kron- und Kelchblatt in der ungeöffneten Knospe die Mittelrippe so dünn wie möglich, doch beide Blätter öffneten sich im Anschluss so gut wie normal. Als sie allerdings die äußeren Blattränder innerhalb der Knospe entfernten, wölbten diese sich anschließend weniger stark als üblich.

Die Ergebnisse unterstützen aber die Theorie Johann Wolfgang von Goethes, der 1790 in seinem Essay "Metamorphose der Pflanzen" vorschlug, dass Blütenblätter und Blätter homolog seien, aus einem gemeinsamen Vorläufer entstanden. "Blätter haben geriffelte Kanten, weil Wachstumsgradienten dazu führen, dass sie an den Kanten stärker wachsen als in der Mitte, wie Liang und ich 2009 gezeigt haben", so Mahadevan. "Hier bauen wir darauf auf und verallgemeinern die Ergebnisse, um zu zeigen, dass blühende Lilien einen Mechanismus ähnlich wachsender Blätter nutzen, außer dass die Blütenblätter gewölbte Objekte sind. "

Praktische Anwendung könnten die Erkenntnisse bei der Entwicklung ultradünner Schichten und elastischer Lagen finden. Außerdem ließen sich Sensoren und Mechanismen entfaltbarer Objekte entwickeln, die einzelne Schritte des Aufblühens nachahmen.