Kindheitserinnerungen! "Ivy's Feet" Wissenschaftsausgabe Extra

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Zhang Lijun (Wuhan Botanical Garden, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Erinnern Sie sich noch an den Artikel „Die Füße des Efeus“ von Herrn Ye Shengtao im Grundschulbuch?

Der Artikel beschreibt Kletterpflanzen wie folgt: „Wie sich herausstellt, haben Kletterpflanzen Füße, und diese Füße wachsen an den Stängeln. Auf der Rückseite der Stängel, wo die Blattstiele wachsen, erstrecken sich sechs oder sieben zweigartige Fäden, von denen jeder wie die Tentakel einer Schnecke aussieht. Die Fäden sind zart rot, genau wie junge Blätter. Dies sind die Füße der Kletterpflanzen.“

Der Saugnapf von Parthenocissus tricuspidata (Bildnachweis: Yuan Minghui)

Herr Ye Shengtao betrachtete Efeu aus der Perspektive eines Schriftstellers. Tatsächlich waren die Füße des Efeus, von dem er sprach, Saugnäpfe.

Dank seiner Saugnäpfe ist Parthenocissus tricuspidata ein Spitzenreiter in der Welt der Kletterpflanzen. Wenn Sie es nicht glauben, können Sie genau hinschauen. Es dauert nicht lange, bis die Außenwände des Gebäudes voller Vitalität und üppigem Grün sind.

Efeu bedeckt die Außenwände von Gebäuden (Fotoquelle: Veer Gallery)

Saugnäpfe - die "Füße" der Creeper

Parthenocissus, auch als Kletterpflanze, Gundermann und Fliegender Tausendfüßler bekannt, gehört zur Gattung Parthenocissus der Familie Vitaceae. Es handelt sich um eine laubabwerfende, mehrjährige, verholzende, rankenartige Kletterpflanze. Als Kletterpflanze ist das Hochklettern mit Hilfe anderer Objekte eine Überlebenstechnik von Pflanzen wie Efeu.

In der großen Familie der Kletterpflanzen gibt es verschiedene Arten des Kletterns. Manche klettern, indem sie sich durch Äste biegen und emporklettern; manche verwandeln ihre Blüten, Blätter und Stängel in Ranken; manche Pflanzen entwickeln Saugnäpfe, Adventivwurzeln oder Dornen, um sich zu fixieren und nach oben zu haften; und einige intelligentere Pflanzen verfügen über mehrere der oben genannten Funktionen gleichzeitig, nur um ihren Traum vom „Überdachenfliegen und Auf-der-Wand-Laufen“ zu verwirklichen.

Aus Stängeln entwickeln sich die Ranken des Efeus. Wenn sie auf eine kletterbare Oberfläche stoßen, entwickeln sich die Spitze und die Spitze der Ranke zu Saugnäpfen, mit denen sie auf der Suche nach Wachstumsraum nach oben klettern.

Ranken und Saugnäpfe sind sozusagen die „Hände“ und „Füße“ der Kletterpflanze. Mit Händen und Füßen kann sich Efeu fest an Felsen, Mauern oder Bäumen festklammern.

Ranken und Saugnäpfe von Parthenocissus tricuspidata (Bildnachweis: vom Autor übernommen)

Der erste Mensch, der im Bereich der Botanik Kletterpflanzen beobachtete, war Darwin, der Pionier der Evolutionstheorie.

Als er die Bewegung der Ranken der Jungfernrebe (auch bekannt als Parthenocissus tricuspidata) beobachtete, stellte er fest, dass sich die Ranken mancher Pflanzen von selbst zurückzogen, nachdem sie sich um Äste oder Stöcke gewickelt hatten. Wenn sie die flache Oberfläche von Holz oder Wänden berührten, bogen sich alle Ranken in diese Richtung, breiteten sich spärlich aus und berührten die Seite ihrer hakenförmigen Enden.

Nach etwa zwei Tagen schwillt die Spitze der Ranke an und bildet ein „kleines Polster“, das fest haften kann. Wir nennen das einen „Saugnapf“.

Ranken, die nirgendwo befestigt sind, verdorren und fallen nach ein bis zwei Wochen ab. Darwin ging davon aus, dass sich die Saugnäpfe von Kletterpflanzen nicht aktiv entwickeln, wenn sie keinen bestimmten äußeren Reizen ausgesetzt sind, beispielsweise einem vorübergehenden Kontakt mit bestimmten Objekten.

Bildquelle: Darwin, „Die Bewegungen und Gewohnheiten von Kletterpflanzen“

2,8 Millionen Mal! Ivy-Saugnapf mit superstarker Adsorptionskraft!

Im Alltag kommen Saugnäpfe häufig zum Einsatz, beispielsweise als Kleiderbügel an der Wand oder als Ablageschale im Badezimmer. Diese Vakuumsauger nutzen Luftdruck zur Aufnahme und können in der Regel Gewichte von bis zu mehreren Kilogramm aushalten.

Doch verglichen mit dem Efeu ist die Saugkraft des Vakuumsaugers nichts. Darwin entdeckte, dass ein ausgewachsener Kletterzweig mit einem Baumalter von über 10 Jahren nur noch einen Saugnapf hatte, der Kontakt mit der Basis hatte. Als ein zwei Pfund schweres Gewicht (die Schwerkraft beträgt etwa 8,9 Newton) an den Zweig gehängt wurde, konnte der Saugnapf immer noch fest an der Grundfläche haften, ohne abzufallen.

Wissenschaftler haben die Saugkraft der Saugnäpfe des Creepers detailliert gemessen. Die durchschnittliche Masse eines ausgereiften Saugnapfs beträgt etwa 0,0005 Gramm, die durchschnittliche Haftkontaktfläche mit dem Substrat beträgt nur 1,22 Quadratmillimeter und die Haftkraft beträgt bis zu 13,7 Newton.

Berechnungen zeigen, dass ein einzelner Saugnapf das 260-fache seines Eigengewichts tragen kann, einschließlich des Gewichts, das durch Stängel, Blätter, Zweige und Ranken erzeugt wird. und die maximale Zugkraft, die der Saugnapf aushalten kann, beträgt das 2,8-Millionen-fache seines Eigengewichts. Das ist eine sehr schockierende Statistik.

Wie wir alle wissen, verfügen Geckos über ein starkes Haftvermögen und können an verschiedenen Wänden hochklettern oder sogar kopfüber daran hängen. Ein ausgewachsener Saugnapf kann jedoch einer Haftkraft standhalten, die 112-mal höher ist als die der Füße eines Geckos.

Darüber hinaus kann eine Fingerspitze einer „bionischen Handfläche“, die den Saugnapf imitieren soll, basierend auf einer groben Schätzung der Kontaktfläche und der Adsorptionskraft des Saugnapfs eine 114 kg schwere Person durch Adsorption tragen.

Eine Fingerspitze einer Hand aus Saugnapfmaterial, die an einer Basis befestigt ist, kann eine 114 kg schwere Person tragen (Bildquelle: Referenz 1)

Ein Saugnapf ist bereits sehr leistungsstark, aber das Haftsystem des Efeus verfügt über mehrere Saugnäpfe gleichzeitig und die spiralförmige Struktur der Ranken als „Plug-In“, sodass der Efeu ohne Angst vor der Schwerkraft vertikal an der Wand hochklettern und starkem Wind und heftigen Regenfällen standhalten kann.

Wie wachsen Saugnäpfe? Wie hast du es aufgeklebt?

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Entwicklung eines vollwertigen Saugnapfs aus einer Rankenspitze ein komplexer Prozess ist, der auf Veränderungen in der Morphologie und Struktur des Saugnapfs beruht.

Sie fanden heraus, dass die suchenden Zweige der Kletterpflanzenranken über eine ausgeprägte Fähigkeit zur Substraterkennung verfügen und spüren können, ob die Substratoberfläche ihnen eine feste Haftung ermöglicht. Nach der Kontaktstimulation durchläuft der unreife Saugnapf eine komplexe Reihe von Zellteilungs- und Expansionsprozessen, während die Zellen der Epidermis und Subepidermis eine klebrige Substanz ansammeln, die von den Epidermiszellen durch die Zellwände abgesondert wird.

Dieser Schleim reißt die Epidermis auf und der abgesonderte Schleim sorgt dafür, dass der Saugnapf am Träger haftet, wodurch Saugnapf und Substrat schließlich miteinander verklebt werden.

Bei einem vollständig anhaftenden Saugnapf wirkt der fließende Schleim wie ein „doppelseitiges Klebeband“, das alle Lücken innerhalb der Epidermiszellen und die Lücken zwischen den Epidermiszellen und dem Substrat ausfüllt.

Suche nach Ästen an Kletterranken (Bildquelle: Referenz 5)

Bei mikroskopischer Betrachtung lässt sich der Saugnapf von Parthenocissus tricuspidata deutlich in zwei Teile unterteilen: den zentralen Bereich und den peripheren Bereich.

Der periphere Bereich ist der Hauptort für die Schleimsekretion und die Verlängerung der Epidermiszellen im Saugnapf. Die unebenen Vertiefungen auf der Substratoberfläche sind entweder mit fließendem Schleim besetzt oder mit Epidermiszellen gefüllt, wodurch ein perfekter Biss zwischen dem Saugnapf und dem Substrat entsteht und so eine extrem starke Haftung gewährleistet wird.

Bei den Rasterelektronenmikroskop-Experimenten wurden zudem einige neue und merkwürdige Saugnapf-Mikrostrukturen entdeckt. Diese schwammartigen porösen Strukturen erleichtern den Fluss und die Übertragung des Schleims und können die Haftung zwischen Saugnapf und Untergrund deutlich verbessern.

Bildquelle: Referenz 1

Sobald die Saugnäpfe fest sitzen, beginnen sich die Ranken zu kräuseln, dicker zu werden und zu verholzen, was den Ranken und Saugnäpfen der Kletterpflanze eine beträchtliche Haltekraft verleiht.

Darüber hinaus haben Wissenschaftler beobachtet, dass die Saugnäpfe des Efeus abwechselnd entlang der Hauptachse der Ranke angeordnet sind, was nicht nur den Symmetrie-Asymmetrie-Regeln in der Architektur folgt, sondern auch mit dem Prinzip der stabilen Adsorption in der physikalischen Oberflächenchemie übereinstimmt.

Die abwechselnde Anordnung der Rankensauger entlang der Hauptachse der Ranke ist ein klassisches Beispiel für Strukturmechanik. Noch erstaunlicher ist, dass die geometrischen Zusammenhänge von Saugnäpfen, Ranken und Stängeln frappierende Ähnlichkeiten mit der Verteilung von Zweigen und Hauptrohren in städtischen Rohrnetzen aufweisen.

Verbreitung von Schlingpflanzensauger (Fotoquelle: Veer Gallery)

Modelldiagramm der Anordnung der Saugnäpfe von Parthenocissus tricuspidata (Bildquelle: Referenz 2)

Anordnung der Rohrleitungszweige (Bildquelle: Veer Gallery)

Was ist der „Kleber“, den der Saugnapf absondert?

In seinen frühen Jahren führte Darwin auch Löslichkeitsexperimente mit den klebrigen Sekreten in den Saugnäpfen von Kletterpflanzen durch. Er sammelte einige ausgewachsene Schösslinge von den Stuckwänden und legte sie mehrere Stunden in heißes Wasser. Anschließend wusch er es mit Ethanol und Essigsäure und stellte fest, dass die kleinen Steine, die am Saugnapf hafteten, immer noch hartnäckig waren und sich nur schwer ablösen ließen.

Nachdem die Saugnäpfe jedoch einen Tag lang in Äther eingeweicht wurden, begannen sich die Steinpartikel zu lösen, und in milden ätherischen Ölen (hauptsächlich Pfefferminze und Thymian) lösten sich die Steinpartikel bereits nach wenigen Stunden vollständig.

Die Ergebnisse des Löslichkeitsexperiments scheinen darauf hinzudeuten, dass es sich bei der Klebstoffkomponente im Saugnapf von Parthenocissus tricuspidata um einen Harzklebstoff handelt.

Später entdeckten Wissenschaftler durch Färbeexperimente, dass es sich bei der von den Efeutrieben abgesonderten klebrigen Substanz höchstwahrscheinlich um ein saures klebriges Polysaccharid handelt. und moderne immunzytochemische Methoden zeigten außerdem, dass die klebrigen Eigenschaften der Sekrete der Saugnäpfe hauptsächlich mit dem entzweigten Rhamnosegalacturonan-Polysaccharid zusammenhängen.

Im Jahr 2012 trennten Wissenschaftler mithilfe der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie vorläufig 21 organische Komponenten in den Saugnäpfen von Parthenocissus tricuspidata, von denen die meisten Stickstoff-, Schwefel- und Sauerstoffelemente enthielten. Verbindungen, die diese Elemente enthalten, können grundsätzlich Polarität erzeugen. Daher wird spekuliert, dass die Wasserstoffbrückenbindung eine schwache Adsorptionskraft sein könnte, die durch den Saugnapf während des Klettervorgangs erzeugt wird.

Im Jahr 2016 zeigte die Polarisationsmikroskopie, dass die Rindenzellen des Saugnapfs Kristalle enthielten und häufig in reifen Zellen vorhanden waren. Säurelöslichkeitstests ergaben, dass es sich bei den Kristallen um nadelförmige Kristalle aus Calciumoxalat handelte, sogenannte Raphekristalle. Die nadelförmigen Kristalle sind in eine organische Matrix eingebettet und bilden Bündel. Große Wassermengen können die Kristallbündel aufbrechen und die einzelnen Kristalle trennen.

Strukturelle Eigenschaften von Calciumoxalatkristallen (Bildquelle: Referenz 4)

Calciumoxalatkristalle spielen eine wichtige mechanische Stützfunktion und erhöhen die Stabilität des Saugnapfs auf dem Untergrund. Darüber hinaus können die nadelförmigen Kristalle dazu beitragen, die Saugnäpfe vor dem Fraß durch Pflanzenfresser oder Insekten zu schützen.

Die Stabilität der Kristalle ist sehr stark. Manche Leute haben festgestellt, dass sich auf der Oberfläche der Basis oder am Rand des Saugnapfs noch immer Kristalle abgelagert hatten, nachdem der Stein, auf dem der Efeu wuchs, 130 Jahre lang den Veränderungen der Natur ausgesetzt war.

Hypothese zum Haftmechanismus des Saugnapfs

1. Hypothese der Grenzflächenreaktion

Die Wissenschaftler stellten die Hypothese auf, dass es sich bei dem Adsorptionsmechanismus um eine Grenzflächenreaktion handelt, die zur „Verankerung“ des Saugnapfs und zur Bildung eines Unterdrucks durch Stickstoff-Sauerstoff-Inhalation führt.

Der vom Efeu abgesonderte Schleim ist eine schwach saure Substanz. An der Kontaktfläche zwischen Saugnapf und Substrat kommt es zu einer langsamen chemischen Reaktion. Diese Reaktion ist mit bloßem Auge und herkömmlichen Analysemethoden schwer zu erkennen.

Die chemischen Produkte der Grenzflächenreaktion wirken als Mikrofüller auf molekularer Ebene, welche die Haftung zwischen Saugnapf und Untergrund deutlich verbessern können.

Diese chemische Grenzflächenreaktion bewirkt, dass der Saugnapf an der Substratoberfläche „verankert“ wird. Während der Saugnapf wächst und sich entwickelt, wird die Spitze der Ranke außerdem ständig durch Kontakt stimuliert und es werden kontinuierlich Sekrete produziert, sodass etwas Luft im Saugnapf eingeschlossen wird. Während des Wachstums- und Entwicklungsprozesses wird durch Photosynthese der im Saugtrieb eingeschlossene Stickstoff verbraucht.

Gleichzeitig verbrauchen Oxidationsreaktionen bestimmter reduzierender Sekrete den in der Cupula enthaltenen Sauerstoff.

Durch Photosynthese- und Oxidationsreaktionen wird das im Saugnapf enthaltene Gas nahezu vollständig verbraucht, wodurch im Inneren des Saugnapfs ein Unterdruck entsteht und die Haftfestigkeit zwischen Saugnapf und Untergrund erhöht wird.

Darüber hinaus spielen auch schwache Wechselwirkungskräfte wie Adsorption, intermolekulare Kraft, elektrostatische Kraft, Kapillarkraft und Van-der-Waals-Kraft eine unterstützende Rolle bei der Haftung.

2. Hypothese der mehrstufigen Systemverbesserung

Andere Wissenschaftler sind der Ansicht, dass der Saugnapf insgesamt eine Struktur ähnlich Stahlbeton aufweist, bei der die Zellwandfasern wie Stahlstäbe wirken, Zellmatrix und Schleim als Zement dienen und Kristalle wie Steine ​​sind.

In der natürlichen Umgebung trocknet die mit Schleim gefüllte Epidermis des Saugnapfs aus und verfestigt sich, um eine primäre Schutzschicht zu bilden. das kristallreiche Kortexgewebe erhöht die mechanische Festigkeit des Kortex, der das sekundäre Schutzsystem darstellt, erheblich; Die Gefäßsäule mit gut entwickeltem Xylem ist das tertiäre Schutzsystem, das zum Einsatz kommt, wenn die ersten beiden Schutzsysteme versagen.

Diese mehrstufige, systemverstärkte Struktur kann die Stabilität und Haltbarkeit der Saugnapfhaftung in höchstem Maße gewährleisten. In der Natur kann es 10 bis 130 Jahre oder sogar länger dauern.

Kurz gesagt: Das Adsorptionsprinzip des Saugnapfs ist viel komplizierter, als wir dachten.

Um die Mikrostruktur und den Haftmechanismus des Saugnapfs aufzudecken, sind eingehendere Untersuchungen erforderlich. Die Kraft der Natur kann nicht nur Schönheit schaffen, sondern auch Wunder bewirken.

Quellen:

1. He Tianxian, Yang Wenwu, Deng Wenli. Überblick über die neuesten Forschungsergebnisse und Forschungsfortschritte von Parthenocissus tricuspidata, einer Kletterpflanze mit Superhaftung. Fortschritte in der Naturwissenschaft. 2008, (11): 1220-1225

2. Er Tianxian. Studie zur Haftung von Saugnäpfen von Parthenocissus tricuspidata. Technische Universität Südchina. 2012. Doktorarbeit.

3. Zhang Li. Isolierung, Reinigung, strukturelle Charakterisierung und Adhäsionseigenschaften des Saugnapfpolysaccharids von Parthenocissus tricuspidata. Technische Universität Südchina. 2014. Doktorarbeit.

4. Yang Xiaojun. Funktionelle Morphologie und Struktur des Haftsystems von Kletterpflanzen. Technische Universität Südchina. 2016. Doktorarbeit.

5. Steinbrecher T, Beuchle G, Melzer B, et al. Strukturelle Entwicklung und Morphologie des Befestigungssystems von Parthenocissus tricuspidata. Int J Plant Sci 2011, 172: 1120-1129.

6. Deng WL. Ranke, Haftscheibe und Superhafteffekt der Kletterpflanze. Erhältlich bei Nature Precedings (2008)