Die Venusfliegenfalle – eine Inspiration für Technik

Advanced Science: Forschende untersuchen Bewegung beim Wieder-Öffnen der Fangblätter

01.06.2022

Das extrem schnelle Zuschnappen der fleischfressenden Venusfliegenfalle ist legendär. Wenig bekannt ist, dass Dionaea muscipula auch zu vielfältigen anderen Bewegungsformen fähig ist. In einer Studie untersuchte ein Team der Universitäten Darmstadt, Freiburg und Stuttgart das Öffnen – also quasi das „Wieder-Scharfmachen“ – der Fallen. Die Ergebnisse sind auch für technische Disziplinen wie Maschinenbau oder Softrobotik interessant und wurden soeben im renommierten Journal „Advanced Science“ veröffentlicht.

PD Dr. Simon Poppinga, wissenschaftlicher Leiter des Botanischen Gartens der TU Darmstadt, zeigt sein Forschungsobjekt – die Venusfliegenfalle.

Die Venusfliegenfalle ist eine besonders geschützte Pflanzenart, die ursprünglich aus Nordamerika stammt. Berühren Beutetiere wie Fliegen, Ameisen oder Spinnen die Fangblätter, klappen diese wie ein Fangeisen zusammen. Die Beute sitzt fest und wird verdaut. Der Klapp-Mechanismus ist mit einer Dauer von etwa 100 Millisekunden eine der schnellsten Bewegungen im Pflanzenreich und wissenschaftlich sehr gut untersucht. Ein Team um Dr. Simon Poppinga vom Botanischen Garten der TU Darmstadt, Prof. Dr. Thomas Speck und Dr. Grazyna Durak vom Botanischen Garten und dem Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) der Universität Freiburg und Prof. Dr. Manfred Bischoff von der Universität Stuttgart befasste sich nun mit der bislang wenig erforschten Frage, wie die Fallen sich wieder öffnen und für neue Beute bereitmachen.

Auch für Ingenieurwissenschaften interessant

Die Venusfliegenfalle mit Beute.

Für die Studie kamen verschiedene Methoden wie zeitraffergestützte 3D-Verformungsmesstechnik, digitale 3D-Bildkorrelation, histologische Untersuchungen der Fallen-Anatomie und mathematische Modelle zum Einsatz, um zu klären, wie die Fallen aufgebaut sind und wie sie sich dreidimensional beim Wieder-Öffnen verformen.

Es zeigte sich, dass abhängig von der Größe und Schlankheit der Falle verschiedene Bewegungsformen beim Wieder-Öffnen auftreten. Die Öffnungsbewegung ist morphologisch „einprogrammiert“: Bei kleinen Fallen läuft sie ganzheitlich, kontinuierlich und gleichmäßig ab. Bei großen Fallen kehrt sich die Krümmung der beiden Fallenhälften vergleichsweise schnell von konvex nach konkav um. Die Teile der Falle „schlagen durch“. Alle Bewegungsformen dauern mehrere Stunden. Zudem brechen besonders große und schlanke Fallen beim Aufgehen, so dass die Vermutung naheliegt, dass ihre Größe limitiert ist. Dies könnte ein Grund sein, warum es keine Riesenfallen gibt.

Die Analysen der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass neben Wachstum und Änderungen des Turgors – des Drucks von Flüssigkeit in den Zellen – bei großen und schlanken Fallen zusätzlich noch elastische Instabilitäten, die Abgabe gespeicherter elastischer Energie, als Bewegungsantrieb „eingesetzt“ werden.

„Durch unsere Studie haben wir ein vertieftes Verständnis der Biologie der Venusfliegenfalle gewonnen“, sagt Dr. Simon Poppinga, Leiter des Botanischen Gartens der TU Darmstadt und einer der Hauptautoren der Studie. Die Ergebnisse sind jedoch auch für Ingenieurwissenschaften wie zum Beispiel Maschinenbau oder Softrobotik hoch relevant. Venusfliegenfallen setzen wichtige Impulse für bionische Forschungsansätze, die Prinzipien ihrer Schnappbewegung wurden bereits vielfach in technische Systeme übertragen. „Da sich der Großteil der aktuellen Forschung auf die Schnappbewegung konzentriert hat, liefert unsere Studie über den langsameren und anders ablaufenden Wiederöffnungsprozess sehr wichtige Informationen für die Weiterentwicklung solcher Systeme“, erläutert Poppinga. „Venusfliegenfallen zeigen, wie man mit ein und derselben Struktur verschieden schnelle gelenkfreie Bewegungsformen vollführen kann.“

Video: Bewegung beim Öffnen der Fallen

Smooth: Bei kleinen Fallen läuft die Bewegung gleichmäßig und kontinuierlich.

Video: Bewegung beim Öffnen der Fallen

Snap: Bei großen Fallen schlagen den Fangblätter beim Öffnen durch.

Forschung zu Biomechanik, Funktionsmorphologie und Bionik von Pflanzen

Simon Poppinga ist seit Januar neuer Leiter des Botanischen Gartens der TU Darmstadt und befasst sich in seiner Forschung mit der Biomechanik, Funktionsmorphologie und Bionik von Pflanzen. Hierbei liegt ein Schwerpunkt auf beweglichen Strukturen. Neben den Fallen fleischfressender Pflanzen sind dies beispielsweise Samenausbreitungs-Apparate wie Kapseln und Zapfen. Hierzu sind in naher Zukunft auch eigene Forschungsprojekte im Darmstädter Garten geplant. Die detaillierte Grundlagenforschung an mechanisch und strukturell hochkomplexen pflanzlichen Systemen zeigt die Relevanz der organismischen Forschung auf und unterstreicht den wichtigen Beitrag wissenschaftlicher Sammlungen wie den Botanischen Gärten.

Die Veröffentlichung

Durak GM, Thierer R, Sachse R, Bischoff M, Speck T, Poppinga S (2022) Smooth or with a snap! Biomechanics of trap reopening in the Venus flytrap (Dionaea muscipula). Advanced Science 2022, 2201362.

doi.org/10.1002/advs.202201362

sip