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Der Schießmechanismus der Zaubernuss

Ein Projekt der Plant Biomechanics Group & Botanischer Garten

 

Die chinesische Zaubernuss (Hamamelis mollis) ist eine beliebte Zierpflanze mit duftenden gelben Blüten, die im Winter bis Frühjahr erscheinen. Die Früchte schießen ihre Samen mehrere Meter weit weg und gewährleisten so eine effektive Ausbreitung. Im Rahmen eines am FMF laufenden JONAS-Projektes wurde biomechanisch und funktionsmorphologisch im Detail untersucht, wie dieser Schießmechanismus funktioniert. Beteiligt waren Wissenschaftler des Botanischen Gartens, des Freiburger Materialforschungszentrums und des Universitätsklinikums Freiburg. Die Ergebnisse wurden nun in der interdisziplinären Fachzeitschrift Journal of the Royal Society Interface veröffentlicht.

Die Früchte der Zaubernuss funktionieren als sogenannte „Trocknungs-Quetsch-Katapulte“. Ein komplexes Zusammenspiel von schrumpfungs-induzierten Fruchtbewegungen und einer präzisen Ablösung des Samens ermöglicht deren ultra-schnelle Freisetzung, für deren Analysen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mit 30 000fps (Bilder/Sekunde) nötig waren. Die Samen erfahren beim Start mehr als das 2 000fache der Erdbeschleunigung und erreichen eine Maximalgeschwindigkeit von 12 m/s. Zusätzlich drehen sich die Samen in Längsrichtung mit bis zu 430 Umdrehungen pro Sekunde, ähnlich einer Gewehrkugel, was die Flugbahn stabilisiert. Mithilfe neuer bildgebender Methoden (Magnetresonanztomographie), die einen Einblick in den Aufbau des „Schießapparates“ erlaubten, konnte der Form-Struktur-Funktionszusammenhang der Frucht in Verbindung zur schnellen Samenfreisetzung im Detail erforscht werden. Die rein passive Natur der involvierten reversiblen Bewegungen, die rein auf den Quellungs- und Schrumpfungseigenschaften der verwendeten Materialien beruht, macht die Frucht der Zaubernuss außerdem zu einem lohnenswerten Vorbild für die Entwicklung bionischer beweglicher Strukturen, die sich autonom und adaptiv and sich ändernde Umweltbedingungen (z.B. bzgl. Feuchtigkeit) anpassen können.

 

Originalpublikation:

Poppinga S, Böse A-S, Seidel R, Hesse L, Leupold J, Caliaro S, Speck T. 2019 A seed flying like a bullet: ballistic seed dispersal in Chinese witch-hazel (Hamamelis mollis OLIV., Hamamelidaceae). J. R. Soc. Interface 16: 20190327. http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2019.0327

 

Projekt:

P6 smartSUS-Projekt „Bio-inspired fiber-reinforced flap and scale structures for self-adaptive heat and humidity regulation (Bio-inspirierte, faserverstärkte Klappen- und Schuppenstrukturen zur selbst-adaptiven Klimaregulierung)“

Projektleiter: Prof. Dr. Thomas Speck, Plant Biomechanics Group (PBG) & Botanischer Garten, Freiburger Materialforschungszentrum (FMF), Universität Freiburg

 

Foto: Simon Poppinga