Pew Pew Pew! Diese Pflanzen verschießen ihre Samen wie Kugeln – Ars Technica

Wissenschaftler haben gemessen, wie schnell Mitglieder der Zaubernussfamilie dank der federbelasteten Früchte ihre Samen freisetzen können.

Blühende Sträucher, bekannt als Hamamelis Es ist vielleicht am besten für seine Verwendung in der Volksmedizin und als natürliche topische Hautsalbe bekannt. Aber auch für Biophysiker und Ingenieure sind die Samen interessant, denn dank eines eingebauten Federmechanismus können Hamameliskapseln mit unglaublich hohen Geschwindigkeiten abgefeuert werden. Forscher der Duke University haben herausgefunden, warum die Samenfreisetzungsgeschwindigkeit entgegen aller Erwartungen nahezu gleich ist, obwohl Samen verschiedener Arten sehr unterschiedliche Massen haben können. Sie beschreiben ihre Ergebnisse in a neues Blatt Veröffentlicht im Journal of the Royal Society Interface.

„Die Leute fragen mich ständig: Warum schaut man sich Pflanzen an, die Samen freisetzen?“ sagte Co-Autor Justin Jorge, ein Doktorand an der Duke University. „Es ist die Seltsamkeit ihrer Federn. Wenn wir an lebensechte Dinge denken, denken wir normalerweise an Gummibänder oder Spiralen oder Bogen zum Bogenschießen. Aber in der Biologie haben wir all diese seltsamen, komplexen Formen. Vielleicht haben diese Formen einige Vorteile, die das können.“ zur Verbesserung des Designs künstlicher Quellen verwendet werden.“ Wie die, die in den kleinen Sprungrobotern verwendet werden, aber zuerst müssen wir verstehen, wie diese biologischen Quellen funktionieren.

Laut Jorge und der Co-Autorin und Beraterin Sheila Patek gibt es in der Natur unzählige Beispiele für biologische Quellen mit einem breiten Spektrum an Größenordnungen und Funktionen, darunter Froschhüpfer, Kanonenkugelpilze und fleischfressende Blasenkrautfallen – die alle diese Mechanismen zum Auslösen nutzen Ballistik. Ameisen mit Fallenkiefern nutzen die federnde Wirkung des Loslassens ihrer Mandibeln, um Beute zu fangen, während Heuschrecken ihre federnden Beine nutzen, um Raubtiere abzuwehren. Neben dem Frosch können auch beide Arten den Mechanismus zum Abschleudern ihres Körpers nutzen. Blühende Pflanzen wie die Hamamelis nutzen die Frühlingsaktivierung, um Samen aus ihren Früchten freizusetzen.

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Jorge war von Letzterem fasziniert. Der primäre Mechanismus umfasst den glatt extrudierten Samen und die harte Struktur, die ihn umhüllt, das sogenannte Endokarp. Wenn es an der Zeit ist, die Samen auszusäen, beginnt das holzige Innere auszutrocknen und sich zu verformen, und diese Verformung übt eine Kraft auf den Samen aus. Aber der Samen widersteht dieser Verformungskraft und so baut sich durch die gesamte (potenzielle) Energie, die in der inneren Hülle gespeichert ist, ein Druck auf. Schließlich wird dieser Druck groß genug, um den Widerstand des Saatguts zu überwinden, und das Saatgut wird mit Gewalt ausgeworfen, oft mit einer Geschwindigkeit von bis zu 30 Fuß pro Sekunde innerhalb einer halben Millisekunde. Höhere Geschwindigkeiten bedeuten eine bessere Samenausbreitung, sodass sich die Art weiterentwickeln und vermehren kann.

Drei Arten von Hamamelisfrüchten erscheinen (a) auf Pflanzen und (b) während des Teilungsprozesses, um ihre Samen freizusetzen.
Hineinzoomen / Drei Arten von Hamamelisfrüchten erscheinen (a) auf Pflanzen und (b) während des Teilungsprozesses, um ihre Samen freizusetzen.

JF George und SN Patek, 2023

Um mehr zu erfahren, sammelte George zunächst Hamamelis aus drei verschiedenen Sorten in Duke Gardens und Duke Forest, beide in Durham, North Carolina. Jede intakte Frucht wurde mit Cyanacrylatkleber an der Basis an einem Metallblock befestigt (so dass die Innenauskleidung frei zurückspringen konnte). Anschließend wurde der Metallblock festgehalten und die abgefeuerten Samen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera mit 100.000 Bildern pro Sekunde fotografiert, während ihre Flugbahnen automatisch verfolgt wurden. Nach der Freilassung sammelte George die Samen und führte Tests zur Charakterisierung verschiedener Materialien durch. Außerdem maß er die Masse sowohl der Samen als auch der Zimmerpflanzen, um das Verhältnis zwischen diesen beiden Variablen zu berechnen.

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Normalerweise besteht ein Kompromiss zwischen der Masse des Projektils und seiner Geschwindigkeit. Beispielsweise bewegen sich schwerere Pfeile, die von einer Armbrust abgefeuert werden, langsamer als leichtere Pfeile. Aber Jorge und Patek fanden heraus, dass die Schussgeschwindigkeiten der Hamamelissamen trotz ihrer unterschiedlichen Massen im Wesentlichen gleich waren. (Einige der Samen wogen mit nur 15 Milligramm weniger als ein Reiskorn, während andere das Zehnfache dieser Masse wogen.)

„Eine Armbrust kann schwerere Pfeile mit ähnlicher oder sogar größerer Geschwindigkeit verschießen als leichtere Pfeile, wenn die Sehne im Vergleich zu schwereren Pfeilen weiter nach hinten gezogen wird oder wenn eine andere Armbrust verwendet wird, die mehr Kraft oder Verschiebung erfordert und daher mehr elastisches Potenzial speichern kann.“ Energie“, Jorge Patek Books. Mindestens eine Fangschreckenkrebsart kann auch die elastische Energiespeicherung proportional zur Zunahme der Körpermasse erhöhen. Hamamelis hat eine ähnliche Anpassung entwickelt. Diejenigen mit schwereren Samen haben auch größere Endoskelette, die mehr elastische potentielle Energie speichern können. Der nächste Schritt besteht darin, die verschiedenen Kräfte zu analysieren, die auf einen Hamamelissamen im Flug einwirken.

Die aus dieser Forschung gewonnenen Erkenntnisse könnten dazu beitragen, Roboteraktuatoren und federbetätigte Systeme zu verbessern. Die Tatsache, dass Hamamelissamen eine einzige Struktur als Motor und Feder nutzen, ist laut Jorge und Patek ein großer Vorteil. Zum Beispiel ein Studie 2021 berichteten über die Entwicklung eines von Pflanzen inspirierten synthetischen Hydrogel-Jumpers, der durch Federbetätigung springt. Dies, so kamen sie zu dem Schluss, „zeigt das Potenzial für die Nutzung von Umweltenergie zur Energiegewinnung.“ „Zaubernuss und andere Samen sprießende Pflanzen bieten eine Fülle von Beispielen für die Materialien und Geometrien, die zur Bildung kompakter Federstrukturen verwendet werden.“

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Interface Journal der Royal Society, 2023. DOI: 10.1098/rsif.2023.0234 (über digitale Identifikatoren).

Auflistungsbild von YouTube/Duke University

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