Die Venusfliegenfalle braucht nur 100 Millisekunden, um ihre Beute zu fangen. Haben sich ihre zu Schnappfallen umgewandelten Blätter geschlossen, können Insekten nicht mehr entrinnen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts für Baustatik und Baudynamik der Universität Stuttgart und der Plant Biomechanics Group der Universität Freiburg haben anhand von biomechanischen Experimenten und mit virtuellen Venusfliegenfallen detailliert analysiert, wie die Fallenhälften zuklappen. Die Stuttgarter Bauingenieure Renate Sachse und Prof. Dr. Manfred Bischoff sowie die Freiburger Biologen Dr. Anna Westermeier, Max Mylo, Prof. Dr. Thomas Speck und Dr. Simon Poppinga zeigen, dass die Fallen der fleischfressenden Pflanze hierfür unter einer mechanischen Vorspannung stehen. Zudem müssen sich ihre drei Gewebeschichten nach einem speziellen Muster verformen. Die Ergebnisse haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in dem international hoch angesehenen Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences USA im Juni 2020 veröffentlicht.
- Originalpublikation
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Sachse R., Westermeier A., Mylo M., Nadashi J., Bischoff M., Speck T., Poppinga S. (2020) Snapping mechanics of the Venus flytrap (Dionaea muscipula). In: Proceedings of the National Academy of Sciences USA, doi: 10.1073/pnas.2002707117
Virtuelle Fallen: Nach Vorgaben aus der Natur und ohne reales Vorbild
Um diese Prozesse besser zu verstehen, haben die Biologinnen und Biologen aus Freiburg die Dehnungsverläufe der Innen- und Außenseite der Falle an der echten Pflanze mithilfe digitaler 3D-Bildkorrelationsmethoden gemessen. Die Ergebnisse ließ das Stuttgarter Team in idealisierte Simulationsmodelle der Pflanze einfließen. Sie konstruierten im Rahmen von Finite-Elemente-Simulationen zahlreiche virtuelle Fallen, die sich in ihrem Schichtaufbau sowie im mechanischen Verhalten der Schichten unterscheiden. Durch solche Analysen können unterschiedliche Aufbauten der Schnappfalle und Szenarien untersucht werden, die an echten Pflanzen entweder nicht messbar sind oder in der Natur gar nicht existieren.
Untersuchung der Verformungsprozesse
Der Speiseplan der Venusfliegenfalle besteht hauptsächlich aus krabbelnden Insekten. Wenn die Tiere die Sinnesborsten im Inneren der Falle zwei Mal innerhalb von etwa zwanzig Sekunden berühren, schnappt sie zu. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wissen bereits, wie die Falle ihre Beute wahrnimmt und wie sie einen potenziellen Fang beispielsweise von einem einfallenden Regentropfen unterscheidet. Jedoch war bisher wenig darüber bekannt, wie die Verformungsprozesse der Fallenhälften beim Zuschnappen ablaufen.
Simulationsergebnisse führen zu neuen Erkenntnissen
Die Simulationen zeigten zunächst nicht das erwartete Schnappverhalten, wie man es in der Natur sehen kann. Nach mechanischen Überlegungen stellte die ingenieurwissenschaftliche Arbeitsgruppe in Stuttgart daraufhin die Hypothese auf, dass bei der realen Pflanze der Zustand der geöffneten Falle schon vorgespannt sein muss. Nachdem sie diese Vorgabe in die Simulation einbezogen hatte, zeigte sich das typische Schnappverhalten. Die Hypothese wurde den Biologinnen und Biologen in Freiburg zurückgespiegelt, die diese durch Austrocknungstests bestätigen konnten. Nur gut gewässerte Fallen können schnell und korrekt zuschnappen, indem sie diese Vorspannung lösen. Durch die Wassergabe ändert sich der Druck in den Zellen der Pflanze und somit das Verhalten des Gewebes. Dadurch kann die Pflanze den charakteristischen Durchschlagmechanismus zum Schließen aktivieren, der ein schnelles Zuschnappen der Falle und damit eine Fangquote ermöglicht.
Simulation des Schnappmechanismus. Zu erkennen ist auch der Dehnungsverlauf über eine Fallenhälfte.
Über das Projekt
Bischoff und sein Team sind an den beiden Exzellenzclustern der Universität Stuttgart „Daten-integrierte Simulationswissenschaft“ und „Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur“ sowie am Sonderforschungsbereich 1244 „Adaptive Hüllen und Strukturen für die gebaute Umwelt von morgen“ beteiligt. Die Kooperation mit den Freiburger Biologen ist in eine Reihe von Forschungsarbeiten eingebettet, an denen auch die Stuttgarter Architekten Prof. Jan Knippers und Prof. Achim Menges beteiligt sind. Speck und Mylo sind Mitglieder des Exzellenzclusters Living, Adaptive and Energy autonomous Material Systems (livMatS) der Universität Freiburg. Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg im Rahmen des Projekts „BioElast“ und vom Forschungsnetzwerk „Joint Research Network on Advanced Materials and Systems“ gefördert, dass die BASF SE und die Universität Freiburg gegründet haben.
Kontakt
Renate Sachse, Institut für Baustatik und Baudynamik an der Universität Stuttgart; Tel.: 0711/685 66575; E-Mail.
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