Rasante Pflanzen: Beutefang mit Unterdruck

Der fleischfressende Wasserschlauch, dessen Beutefalle einer Vakuumkammer ähnelt, nutzt eine der schnellsten Pflanzenbewegungen überhaupt - erstmals biophysikalische Untersuchungen

Wasserschlauch (Utricularia spp.)
Wasserschlauch (Utricularia spp.)

Freiburg/Grenoble (Frankreich) - Ultraschnelle Kameras zeigen im Detail, wovon schon Darwin fasziniert war: Eine fleischfressende Schwimmpflanze, der Wasserschlauch (Utricularia spp.) saugt vorbeitreibende kleinste Beutetierchen per Unterdruck in seine Fressfalle. Möglich wird das durch einen Schnappmechanismus und die spezielle Form des Deckels, der die blasenförmige Fangkammer verschließt. Wie die Pflanze damit ihre Beute fängt, hat nun ein deutsch-französisches Forscherteam erstmals im Detail beobachtet. Berührt etwa ein vorbeischwimmender Wasserfloh die Kontakthärchen und löst so den Fangmechanismus aus, findet er sich wenige Millisekunden später innerhalb der fest verschlossenen Kammer wieder, berichten die Forscher in den "Proceedings of the Royal Society B". Damit erreicht der Wasserschlauch die höchste bekannte Geschwindigkeit von Unterwasserpflanzen und eine der höchsten überhaupt, die eine Pflanze erreichen kann.

"Die außergewöhnliche Fanggeschwindigkeit - weit oberhalb der menschlichen Beobachtungsgrenze - verhinderte bisher umfassende Untersuchungen", schreibt das Team um Olivier Vincent und Philippe Marmottant von der Université Grenoble und Thomas Speck und Carmen Weißkopf von der Plant Biomechanics Group des Botanischen Gartens der Universität Freiburg. Die Forscher hatten Hochgeschwindigkeitskameras mit 15.000 Bildern pro Sekunde und verschiedene Mikroskopietechniken eingesetzt, um den Fangmechanismus und vor allem die Verschlussklappe erstmals biophysikalisch und in detaillierter Auflösung zu erforschen.

Die rundliche Fangblase des Wasserschlauchs misst nur wenige Millimeter und wird durch eine gekrümmte Klappe wasserdicht verschlossen. Dann pumpen spezielle Drüsen im Laufe mehrerer Stunden das Wasser im Inneren heraus, so dass ein Unterdruck entsteht und sich die Kammerwände nach innen krümmen, also elastische Energie speichern. Die Klappe wölbt sich leicht nach außen, während vier Auslösehaare um sie herum auf Berührung warten, um den Mechanismus auszulösen. In diesem Moment verformt sich der Deckel binnen 2 Millisekunden nach innen und schwingt dann binnen einer weiteren halben Millisekunde in die Kammer - die schnellste bekannte Bewegung von Unterwasserpflanzen - und legt damit die Öffnung frei. Die Kammerwände entspannen sich blitzartig zu ihrer ursprünglichen Form, was das Wasser samt Beute vor der Öffnung mit der 600fachen Erdbeschleunigung nach innen zieht und auf bis zu 1,5 Meter pro Sekunde beschleunigt. Nach rund 2,5 Millisekunden schwingt der Deckel wieder zurück und verschließt die Kammer. Nanometer große Glaskügelchen im Flüssigkeitsstrom zeigten außerdem, dass die Verwirbelungen beim Einsaugen das Beutetier in der Kammer auch noch nach dem Verdeckeln im Griff haben. Eine Chance auf Entkommen hat nur Beute, die zu groß ist, um durch die Öffnung zu passen.

Die Deformation der Kammerklappe ist in mehreren Schritten eine komplette Umkehr ihrer morphologischen Vorkrümmung: Die Krümmungs-Instabilität im Beutefangmodus entlädt sich blitzschnell, exakt und reproduzierbar. Dies untersuchten die Forscher mithilfe von Laser-Fluoreszenzmikroskopie und berechneten das Prinzip via dynamischer numerischer Simulationen und eines Computermodells, das in einem zweiten Paper im Fachblatt "Physical Review E" erscheint.

Der Wasserschlauch kommt vor allem in Sümpfen und Mooren vor und ist mit mehr als 200 Arten die vielfältigste Gattung fleischfressender Pflanzen. Er treibt ohne Wurzeln dicht unter der Wasseroberfläche, nur die Blüten auf langen Stängeln erreichen die Luft. Die Fangblasen, so genannte Utrikel, sitzen an langen, gegabelten Blättern und ähneln kleinen Weintrauben. Als Nahrung dienen der Pflanze kleinste Wassertiere, meist Krebstierchen, Wasserflöhe oder Mückenlarven.