Wie Forscher die Tricks der Natur entschlüsseln

„Sesam öffne dich“ mit Regenwasser

Ganz besonders interessieren sich die Bionik-Forscher für die zahlreichen Funktionen, die in vielen Biomaterialien eingebaut sind. Erstaunlicherweise gilt das sogar für verholzte, tote Pflanzengewebe. Dazu zählen Samenkapseln, an denen Michaela Eder mit ihrer Gruppe forscht. Aktuell untersucht die studierte Holzwirtschaftlerin die Zapfen einer australischen Pflanzenart, die zur Gattung der Banksien gehört. Viele Banksien „lagern“ ihre Samen jahrelang in ihren Zapfen. Zur Samenfreisetzung brauchen diese Arten Buschfeuer. Ohne die nährstoffreiche frische Asche auf dem Boden können die Samen nicht keimen (siehe auch GEOMAX 3). Aus den länglichen Zapfen ragen seitlich schnabelförmige Samenkapseln heraus. Bei welcher Temperatur im Buschfeuer diese sich öffnen, hängt von der Art und der Umwelt ab. Das Öffnen funktioniert, obwohl die verholzten Zapfen eigentlich tot sind. Dazu ist ein raffinierter Temperatursensor in ihrem Material eingebaut. „Das ist ein cooles Ding“, schwärmt Eder. Mehr kann sie über die laufende Forschungsarbeit aber noch nicht verraten.

Die Funktionsweise einer anderen Samenkapsel haben die Golmer jedoch bereits erfolgreich entschlüsselt. Die Mittagsblume Delosperma naturense trotzt in vielen Regionen der Erde monatelangen Trockenperioden, zum Beispiel an den Küsten von Australien oder Kalifornien. Fällt Regen, nutzt die Pflanze das rare Wasser zum Keimen ihrer Samen. Deshalb hat ihre Samenkapsel einen Mechanismus, der bei Regen fünf Deckel öffnet. Fällt genug Regen, dann wäscht er die Samen aus der Kapsel heraus. Wird es trocken, schließt sich die Kapsel wieder schützend über dem restlichen Vorrat an Samen (Abb. C).

<p><strong>Abb. C: Die geniale Samenkapsel</strong><br />Die Samenkapsel der Mittagsblume <em>D. nakurense</em> öffnet sich im richtigen Moment: Solange Trockenheit herrscht, verschließen fünf Deckel die Kapsel (links oben). Sobald es regnet, klappen die fünf Deckel der Kapsel auf (rechts oben). Der Mechanismus steckt in den Kielen der fünf „Deckelklappen“ (grün). Dort befinden sich Zellen, die mit Zellulose gefüllt sind. Bei Nässe quellen diese auf, was den Kiel in die „Offen-Stellung“ umklappen lässt. Umgekehrt schließt sich die „Deckelklappe“ wieder, wenn die Zellulose trocknet.</p> Bild vergrößern

Abb. C: Die geniale Samenkapsel
Die Samenkapsel der Mittagsblume D. nakurense öffnet sich im richtigen Moment: Solange Trockenheit herrscht, verschließen fünf Deckel die Kapsel (links oben). Sobald es regnet, klappen die fünf Deckel der Kapsel auf (rechts oben). Der Mechanismus steckt in den Kielen der fünf „Deckelklappen“ (grün). Dort befinden sich Zellen, die mit Zellulose gefüllt sind. Bei Nässe quellen diese auf, was den Kiel in die „Offen-Stellung“ umklappen lässt. Umgekehrt schließt sich die „Deckelklappe“ wieder, wenn die Zellulose trocknet.

Wie aber macht sie das? Das holzige Gewebe der Kapsel ist genauso tot wie das der Banksien-Zapfen. Der Mechanismus befindet sich auf der Innenseite der Klappen. Dort sitzt an jeder Klappe ein Kiel, der sie wie ein Scharnier mit der Kapsel verbindet. Wird der Kiel nass, dann dehnt er sich auf seiner Innenseite aus. Außen, zur Klappe hin, verhält er sich dagegen wie eine zähe Folie, die sich nicht auseinanderziehen lässt. Da die Außenseite dem Aufquellen der Innenseite nicht folgen kann, verbiegt sich der Kiel nach außen und öffnet die Klappe. Trocknet die Innenseite, dann schrumpft sie, und der Kiel schließt die Klappe wieder (Abb. C). Der innere Teil des Kiels besteht aus abgestorbenen Zellen, die mit Cellulose gefüllt sind. Cellulose kann viel Wasser aufnehmen und dabei enorm aufquellen. Die umhüllenden Zellwände dagegen enthalten das Biopolymer Lignin, das zusammen mit anderen Stoffen ein Aufquellen weitgehend verhindert. Die Form der Zellen steuert im Verbund das Quellen der Cellulose genau in die Richtung, in die sich der Kiel verlängern soll. Der Mechanismus ist so genial wie einfach – er braucht nur Wasser aus der Umwelt als „Antrieb“.

Mit diesem Wissen entwickelten die Golmer eine künstliche Wabenstruktur. Die Wände der Waben sind zweischichtig aufgebaut. Die äußere Schicht ist aus Holz, die innere aus einem speziellen Papier. Bei Kontakt mit Wasser quillt hier das Holz stärker als das Papier, damit bewegt sich die Struktur. Im Verbund lenken die Waben diese Bewegung in eine bestimmte Richtung, ähnlich wie die Zellen der Mittagsblume. Mit diesem Antrieb könnte man zum Beispiel Schirme konstruieren, die sich bei Regen öffnen, ganz ohne weitere Energiezufuhr (siehe Video-Tipps). „Diese Idee könnte aber auch für die Entwicklung neuer Roboter interessant sein“, sagt Fratzl und lockt Nachwuchsforscherinnen und -forscher mit dem Hinweis: „In der Bionik gibt es noch unendlich viel Spannendes zu entdecken!“

Der Gummiknochen-Versuch

Für dieses Experiment braucht man einen Knochen, beispielsweise ein gut gesäubertes Hühnerbein. Die zweite Zutat ist eine Säure. Zuhause steht Essigessenz zur Verfügung, in der Schule stärkere Salzsäure. Den Knochen legt man in eine Schüssel und übergießt ihn vorsichtig mit der Säure, bis er komplett bedeckt ist. Dann verschließt man die Schüssel und wartet einige Tage. Nach dem Bad hat der Knochen noch seine Form, aber er ist biegsam wie Gummi geworden. Der Grund: Die Säure hat die calciumhaltigen Biomineralkristalle aufgelöst, nur das elastische Kollagen-Netzwerk blieb übrig.

Hinweis: Der Umgang mit Salzsäure erfordert Schutzbrille, Schutzkittel und geeignete Handschuhe.

TECHMAX Ausgabe 24, Sommer 2017, Redaktion: Christina Beck, Autor: Roland Wengenmayr

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