Ingenieure entdecken das geheime „Denken“ hinter der Samenausbreitung des Löwenzahns

Wenn wir wissen, warum und wie sich Löwenzahn ausbreitet, könnten wir besser verstehen, wie die Pflanzen auf den Klimawandel reagieren, und es könnte uns sogar helfen, neue „weiche“ Roboter zu entwickeln.

Löwenzahn ist bekannt für seine flauschige Konsistenz und seine unheimliche Fähigkeit, Kindern die Uhrzeit zu verraten, und liefert im Frühjahr wichtige Nahrung für Bestäuber wie Bienen, Vögel, Schmetterlinge und Motten.

Ihre Samen gehören zu den besten Fliegern in der Natur, sie fangen den Wind ein und verbreiten sich bis zu 100 Kilometer weit. Dies gelingt ihnen unter anderem dadurch, dass sie ihren Flug auf das Wetter abstimmen.

Jeder Löwenzahnsamen ist mit einem dünnen Schlauch an etwa 100 Borsten befestigt, die die fallschirmartige Struktur bilden. Wenn sich die Samen aus dem Blütenkopf lösen, fangen diese Haarbündel den Wind ein und tragen die Samen mit. Dieser haarige Fallschirm schließt sich, wenn die Luft feucht ist, was oft bedeutet, dass der Wind schwach ist. Bei trockener, windigerer Luft weitet der Löwenzahn seinen Fallschirm, um den Wind besser einzufangen, so dass die Samen frei fliegen können.

Bislang wusste jedoch niemand, wie sie ihre Umgebung so effektiv wahrnehmen und darauf reagieren.

Jetzt hat ein internationales Team, dem auch Forscher des Imperial College angehören, die biomechanischen „Entscheidungen“ hinter der Ausbreitung von Löwenzahnsamen aufgedeckt.

Ihre Arbeit, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, ergab, dass sich die samentragenden Fallschirme mit Hilfe von Aktuatoren öffnen und schließen, also Geräten, die Signale in Bewegung umwandeln, ohne Energie zu verbrauchen.

Das Zentrum der Fallschirme nimmt die Feuchtigkeit ihrer unmittelbaren Umgebung wahr, indem es Wassermoleküle aus der Luft aufnimmt. Als Reaktion auf diese Feuchtigkeitssignale „entscheiden“ sie, ob sie ihre Fallschirme öffnen und wegfliegen oder ob sie ihre Fallschirme schließen und an Ort und Stelle bleiben.

Sie fanden auch heraus, dass der Aktuator ein einzigartiges radiales, röhrenförmiges Design hat, an dem die Fallschirmhaare befestigt sind, um eine gleichzeitige Bewegung zu gewährleisten. Der Antrieb ändert seine Form, um die Fallschirme zu öffnen oder zu schließen.

Die kaiserliche Autorin Dr. Naomi Nakayama von der Abteilung für Bioengineering, die die Arbeit leitete, sagte: „Unsere Ergebnisse zeigen, wie der Löwenzahn das Überleben seiner Art sichert, indem er die vielleicht wichtigste Entscheidung im Leben einer Pflanze trifft – zu bleiben oder einen besseren Lebensraum zu suchen“.

Die Forscher des Imperial College, der Universitäten von Edinburgh, Oxford, Lyon und der Ecole Polytechnique de Paris untersuchten dies mit Hilfe einer Kombination aus Fachwissen in Pflanzenbiologie und Maschinenbau.

Sie setzten Löwenzahn in eine speziell angefertigte, feuchtigkeitskontrollierte Kammer, um die Auswirkungen der Feuchtigkeit auf die Fallschirmbasis zu untersuchen. Sie maßen die Auswirkungen der Feuchtigkeit auf den Aktuator mit verschiedenen bildgebenden Verfahren, einschließlich eines Rasterelektronenmikroskops.

Sie fanden heraus, dass die Öffnung des Fallschirms von der Luftfeuchtigkeit abhängt: Eine höhere Luftfeuchtigkeit führte zu einem Anschwellen des Aktuators und einer mechanischen Bewegung der Haare nach oben, wodurch sich die Fallschirme schlossen. Einige Bereiche des Aktuators schwollen deutlich an, während sich andere, wie z. B. das Gefäßsystem, kaum veränderten. Sie stellten fest, dass die Formveränderung des Aktuators durch die Aufnahme und Abgabe von Wassertröpfchen verursacht wurde, wodurch eine Falte in dem Bereich entstand, in dem die Fallschirmhaare befestigt sind.

Daraufhin erstellten sie ein strukturelles Computermodell des Aktuators, das diese Unterschiede und die mit den Veränderungen des Hydratationsgrades verbundenen Kräfte berücksichtigt. Ihr Modell stimmte quantitativ mit den meisten Beobachtungen überein, die darauf hindeuteten, dass Unterschiede in der Fähigkeit, Wasser zu absorbieren, der Schlüssel zur Betätigung und damit zum Öffnen und Schließen des Fallschirms sind.

Pflanzenstrukturen können als wichtige Inspirationsquelle für die Soft-Robotik dienen, da diese Roboter wie Pflanzen keine Gelenke oder starren Teile verwenden, um ihre Gliedmaßen zu bewegen. Herauszufinden, wie die Fallschirme des Löwenzahns auf ihre Umgebung reagieren, indem sie viele Gliedmaßen gleichzeitig bewegen, könnte Ingenieuren helfen, Roboter zu entwickeln, die mehrere Finger und Arme mit sehr einfachen, aber funktionellen Designs bewegen. Die Art und Weise, wie der Löwenzahn-Aktor seine Form in einigen Regionen ändert, in anderen jedoch nicht, kann uns auch etwas über die Mechanismen der Formgebung und Bewegung in weichen Robotern und biologischen Geweben lehren.

Die Ausbreitung des Löwenzahns hat großen Einfluss auf städtische und ländliche Ökosysteme, und wenn wir wissen, wie sein Flug auf die Umwelt reagiert, können wir die Auswirkungen des Klimawandels besser vorhersagen.

Dr. Nakayama fügte hinzu: „Unsere Arbeit ist ein großartiges Beispiel dafür, was uns die Natur über die Interaktion mit unserer Umwelt lehren kann. Sie ist auch ein fantastisches Beispiel für die multidisziplinäre Zusammenarbeit: Sie bringt verschiedene Disziplinen zusammen, um neue Wege zur Untersuchung biologischer und technischer Probleme zu finden.

Datum: Juni 1, 2022
Quelle: Imperial College London


Journal Reference:

  1. Madeleine Seale, Annamaria Kiss, Simone Bovio, Ignazio Maria Viola, Enrico Mastropaolo, Arezki Boudaoud, Naomi Nakayama. Dandelion pappus morphing is actuated by radially patterned material swellingNature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-30245-3

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