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Pflanzen mit langem Gedächtnis

Vieles in der Pflanzenwelt, das analog zur Tierwelt abläuft, ist mittlerweile zufriedenstellend erforscht: Intelligenz, Kommunikation, Verteidigungsstrategien oder Verhalten. Nur zum Gedächtnis hat man erst kürzlich Vergleichstests durchgeführt. Das ist umso erstaunlicher, als der Vorreiter auf diesem Gebiet einer der berühmtesten Naturwissenschaftler war: Lamarck (1744–1829), oder besser Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, Chevalier de Lamarck – weil seine wissenschaftliche Leistung damit würdig zum Ausdruck kommt. Wie andere Naturforscher seiner Zeit interessierte sich der Vater der Biologie – der Begriff geht auf ihn zurück – besonders für die schnellen Bewegungen der sogenannten Sinnpflanzen, Pflanzen also, die umgehend und offensichtlich auf bestimmte Reize reagieren. Lamarck hat sich vor allem lange mit der Frage beschäftigt, wie und warum die Mimose ihre Blättchen plötzlich schließt. Und um es gleich vorwegzunehmen, so genau wissen wir es bis heute nicht.

Mimosa pudica in voller Blüte. Die zahlreichen rosafarbenen Staubblätter lassen die Blüten fedrig aussehen.

Ich nehme an, Sie kennen Mimosen. Man kann sie ja heute im Supermarkt kaufen. Aber falls jemand noch keine gesehen hat: Es handelt sich um eine kleine, anmutige Pflanze, die ihre Blättchen bei äußeren Reizen wie Berührungen schamhaft schließt und darum auch Mimosa pudica, «Schamhafte Sinnpflanze» genannt wird. Sie stammt ursprünglich aus den amerikanischen Tropen, stieß aber durch ihre unmittelbare, bei Pflanzen seltene Reaktion in Europa schnell auf großes Interesse. So haben sich mit ihr etwa der Brite Robert Hooke (1635–1703) beschäftigt, der erstmals eine Zelle unter dem Mikroskop betrachtete und beschrieb, oder auch der Vater der Zellbiologie, Henri Dutrochet (1776–1847). Kurz und gut: Eine Zeit lang war die Mimose ein echter Star.

Auch Chevalier de Lamarck konnte sich ihrer Faszination nicht entziehen. Er führte zahllose Versuche durch, um ihrem Geheimnis auf die Spur zu kommen, und erforschte ihr Verhalten in, gelinde gesagt, ausgefallenen Situationen. Vor allem verwunderte ihn, dass die Pflanze irgendwann nicht mehr reagierte, wenn man sie wiederholt demselben Reiz aussetzte. Sie ignorierte ihn einfach. Lamarck vermutete ganz richtig, die Pflanze sei «müde». Wenn sich die Blättchen wiederholt schließen und öffnen, fehlt ihnen irgendwann einfach die Kraft. Anscheinend, so nahm er an, galt für die Mimose also Ähnliches wie für die Muskeln von Tieren, die auch nur so lange arbeiten können, wie die Energie reicht. Doch seltsamerweise stimmte das nicht in jedem Fall.

Die sogenannte Schamhafte Sinnpflanze, Mimosa pudica, die ursprünglich aus Lateinamerika und der Karibik stammt, ist heute in vielen Ländern des Tropengürtels verbreitet.

So fiel Lamarck auf, dass manche Pflanzen die Blättchen nicht mehr schlossen, obwohl sie noch längst nicht erschöpft waren. Erstaunt fragte er sich nach dem Grund und stieß eines Tages auf einen originellen Versuch, der seine Frage zu beantworten schien. Für den Versuch hatte der Botaniker René Desfontaines (1750–1833) einen Studenten mit jeder Menge Mimosentöpfen auf eine Kutschfahrt durch Paris geschickt und ihm aufgetragen, die Pflanzen genauestens zu beobachten. Vor allem sei darauf zu achten, wann sich die Blättchen schließen. Wir kennen den Namen des Studenten nicht, aber er war von seinem Professor offenbar Seltsames gewöhnt und fragte nicht lange nach. Er verteilte die Mimosentöpfe auf den Sitzen und befahl dem Kutscher, in gleichmäßigem Trab und möglichst ohne anzuhalten die Sehenswürdigkeiten der Stadt abzuklappern.

Der Student hatte wohl kaum Gelegenheit, die Spazierfahrt zu genießen, denn schon beim ersten Rütteln und Schütteln der Kutsche auf dem Pariser Kopfsteinpflaster schlossen sich die Blättchen, und er war vollauf damit beschäftigt, alle Beobachtungen in sein Notizbuch einzutragen. Doch der Versuch dürfte ihm trotzdem recht langweilig vorgekommen sein. Desfontaines würde damit nicht zufrieden sein. Denn was sollte jetzt noch groß passieren? Die Blättchen hatten sich wie vorhergesehen sofort geschlossen – und nun? Was wollte sein Professor bloß mit dem Versuch? Heute war offenbar nicht der richtige Tag für bahnbrechende Ergebnisse. Doch als der Student so dasaß, passierte plötzlich etwas Unerwartetes. Obwohl die Kutsche unvermindert und ohne Unterlass vibrierte, öffneten erst eine, dann zwei, dann fünf und schließlich alle Pflanzen ihre Blättchen. Was war denn jetzt los? Der unbekannte Student hatte eine geniale Eingebung und schrieb in sein Notizbuch: Die Pflänzchen haben sich an das Ruckeln gewöhnt.

Der Versuch auf den Straßen von Paris war der Botanischen Gesellschaft immerhin eine Notiz wert, und Lamarck und Augustin-Pyramus de Candolle (1778–1841) einen kurzen Bericht in ihrem Werk Flore française. Doch wie viele andere geniale Entdeckungen gerieten auch diese Versuchsergebnisse bald in Vergessenheit. Dabei war Desfontaines’ Text ziemlich eindeutig und implizierte ganz klar ein Anpassungsverhalten, das ein Speichern von Informationen, also Gedächtnis voraussetzte. Denn wie hätten sich die Mimosen an das Rütteln der Kutsche gewöhnen können, wenn sie kein Erinnerungsvermögen besaßen? Allerdings fehlte für diese interessante Annahme lange jeder wissenschaftliche Beleg.

Doch im Mai 2013 kam Monica Gagliano von der University of Western Australia in Perth für sechs Monate ans LINV (Laboratorio internazionale di neurobiologia vegetale), das von mir geleitete Internationale Institut für Pflanzenneurobiologie an der Universität Florenz. Die Meeresbiologin war vielseitig interessiert, an der Philosophie ebenso wie an der Evolutionsgeschichte der Pflanzen. Mit diesem Forschungsaufenthalt wollte sie vor allem ihre Botanikkenntnisse vertiefen, und ihre besondere Aufmerksamkeit galt dabei dem Verhalten der Pflanzen. Wir unterhielten uns natürlich ausgiebig über unsere Forschungsgebiete, und irgendwann entwickelten wir einige gemeinsame Versuche, die sich einerseits vor ihrer Universität rechtfertigen ließen und uns andererseits Antworten auf die brennendsten Fragen aus unseren Gesprächen geben sollten. Mir schien eine Frage von besonderer Bedeutung: Besitzen Pflanzen wirklich ein Gedächtnis? Obwohl man ihnen schon länger ein hervorragendes Erinnerungsvermögen zuschrieb, gab es dafür noch keinen wissenschaftlichen Beweis. Ich wollte das pflanzliche Gedächtnis endlich experimentell belegen. Nachdem wir uns also auf das Thema geeinigt hatten, blieb uns noch der schwierigste Teil der Aufgabe: Wie sollten wir beweisen, dass Pflanzen auf wiederholte Reize zunehmend besser reagieren, weil sie über eine spezielle Form von Gedächtnis verfügen?

Als ich wenige Monate zuvor den japanischen LINVSitz in Kitakyūshū besucht hatte, hatte mir der Leiter, mein Freund und Kollege Tomonori Kawano, mit berechtigtem Stolz einige Bücher gezeigt, die die Pariser Sorbonne mit Tausenden anderen einstampfen lassen wollte. Es war ihm in zähen Verhandlungen gelungen, die Bücher zu retten und nach Japan zu bringen. Unter den zahlreichen Schätzen befand sich auch eine Originalausgabe der Flore française von Lamarck und de Candolle – und darin der Bericht über Desfontaines und wie er Mimosenpflänzchen durch Paris kutschieren ließ. Wir hatten uns beim Lesen köstlich amüsiert – Tomonori hatte Desfontaines’ Studenten als japanischen Musterschüler bezeichnet –, und nun fiel mir die Geschichte wieder ein. Ich erzählte Monica davon, und wir fragten uns, ob wir den Klassiker nicht einfach mit heutigen wissenschaftlichen Methoden wiederholen sollten. Und tatsächlich konnten wir schon wenige Tage später einen aktuellen Bericht über den «Versuch von Lamarck und Desfontaines», wie wir die Experimente spontan nannten, verschicken.

Im Jahr 2013 konnte man sich nicht mehr einfach mit Pflanzen in eine Kutsche setzen, aber Lamarcks Reizwiederholung griffen wir gern auf. Wir wollten beweisen, dass Mimosenpflänzchen erstens einen Reiz nach einer gewissen Anzahl von Wiederholungen als ungefährlich einstufen und ihre Blättchen nicht mehr schließen, und dass sie zweitens, nach entsprechender Vorbereitung, zwischen bekanntem und unbekanntem Reiz unterscheiden können und demgemäß reagieren. Anders gesagt, wir wollten herausfinden, ob sich die Pflänzchen an bekannte, ungefährliche Reize erinnern und diese von neuen, potenziell gefährlichen Reizen unterscheiden können.

Eine einfache, aber wirksame Anordnung für unseren Versuch «Lamarck und Desfontaines» war schnell gefunden. Wir ließen Mimosentöpfe in einer speziellen Versuchseinrichtung mehrfach zehn Zentimeter tief fallen. Der präzis quantifizierbare Sturz stellte also den Reiz dar. Unser Versuchsergebnis ließ keine Wünsche offen; Desfontaines’ Beobachtungen stimmten haargenau: Nach sieben oder acht Wiederholungen schlossen sich die Blättchen nicht mehr, und jede weitere Wiederholung wurde souverän ignoriert. Nun mussten wir allerdings noch herausfinden, ob es sich bloß um eine Ermüdungserscheinung handelte oder ob die Mimosen wirklich erkannt hatten, dass der Reiz ungefährlich war. Wir mussten sie also einem neuen Reiz aussetzen. Dazu stellten wir die Töpfe in einen Apparat, in dem sie horizontal geschüttelt wurden. Und siehe da: Bei diesem neuen, ebenfalls exakt quantifizierbaren Reiz schlossen sich die Blättchen sofort. Ein fantastisches Ergebnis. Mit dem Versuch «Lamarck und Desfontaines» hatten wir bewiesen, dass Pflanzen einen Reiz durch Lernen als ungefährlich einstufen und diesen von anderen, potenziell gefährlichen Reizen unterscheiden können. Und dafür mussten sie sich an Erlebtes erinnern.

Die Mimose kann lernen, dass ein Reiz, wie ein kurzer Fall im Topf, ungefährlich ist, und schließt ihre Blätter dann nicht mehr.

Doch wie lange erinnerten sie sich daran? Um diese Frage zu beantworten, ließen wir mehrere Hundert Mimosen, die gelernt hatten, zwischen den beiden Reizen zu unterscheiden, eine Weile ungestört und überprüften anschließend in immer längeren Abständen, ob sie sich noch daran erinnerten. Das Ergebnis übertraf alle unsere Erwartungen: Sie erinnerten sich noch nach mehr als vierzig Tagen daran, also erheblich länger als viele Insekten und ungefähr genauso lange wie manche höheren Tiere.

Die DNA-Methylierung ist die häufigste epigenetische Modifikation.

Bis heute bleibt es allerdings ein Rätsel, wie sich Lebewesen, die kein Gehirn besitzen, an etwas erinnern können. Zahlreiche Forschungsarbeiten, vor allem auf dem Gebiet des Stressgedächtnisses, deuten darauf hin, dass die Epigenetik einiges zu einer Erklärung beitragen könnte. Die Epigenetik beschäftigt sich mit vererbbaren Chromosomen-Modifikationen, die nicht auf Veränderungen der DNA-Sequenz beruhen. Mit anderen Worten: Die Veränderungen betreffen die Genexpression, nicht aber die Gensequenz. Hierzu gehören etwa die Modifikation von Histonen – Proteinen zur DNA-Organisation – oder die Methylierung, bei der sich eine Methyl-CH₃-Gruppe an eine stickstoffhaltige DNA-Base bindet.

Schon vor einiger Zeit musste man verblüfft feststellen, dass die nicht codierende Zell-DNA, die man lange als «genetischen Müll» bezeichnet hatte, offenbar wichtige Aufgaben erfüllte. Wie man heute weiß, ist sie beispielsweise für die Produktion von RNA-Molekülen zuständig, die bei der Embryoentwicklung, den Gehirnfunktionen und anderen entscheidenden Punkten eine Schlüsselrolle spielen. Wie so oft in der Biologie, verdanken wir auch hier viele Forschungsfortschritte den Pflanzen – und in letzter Zeit vor allem den Anstrengungen, das Geheimnis des Pflanzengedächtnisses zu lüften. Um nur ein Beispiel zu nennen: Woher wissen Pflanzen überhaupt, wann genau sie blühen müssen? Dass sich Pflanzen seit Jahrtausenden erfolgreich vermehren und fortpflanzen können, liegt ja hauptsächlich daran, dass sich ihre Blüten genau im richtigen Moment öffnen. Nach Ende der Winterkälte warten viele Pflanzen eine bestimmte Anzahl an Tagen ab, ehe sie blühen. Sie müssen sich also daran erinnern, wie viel Zeit verstrichen ist.

Dass es sich dabei um ein epigenetisches Gedächtnis handelt, bezweifelt niemand mehr, doch wie dieses tatsächlich funktioniert, war bis vor Kurzem noch ein Rätsel. Erst in der Septemberausgabe 2016 der Zeitschrift «Cell Reports» sollte eine Arbeitsgruppe unter Leitung von Karissa Sanbonmatsu am Los Alamos National Laboratory ihre Forschungsergebnisse zu einer bestimmten RNA-Sequenz veröffentlichen: Demnach beurteilt eine COOLAIR genannte Sequenz, wie viel Zeit seit der Winterkälte vergangen ist, und steuert so die Frühlingsblüte. Wenn das RNA-Stück inaktiv ist oder entfernt wird, blühen die Pflanzen nicht mehr. Doch uns geht es hier ja nicht um die komplexe Dynamik von COOLAIR – im Grunde der Repressor eines Repressors der Blüte. Uns interessiert hier vor allem, dass solche Mechanismen bei Pflanzen wesentlich häufiger sein könnten als angenommen und dass das Pflanzengedächtnis genau darauf beruhen könnte. Offensichtlich spielen epigenetische Modifikationen in der Pflanzenwelt eine wesentlich größere Rolle als bei Tieren, und es wäre daher durchaus denkbar, dass sich Pflanzenzellen an eine stressbedingt modifizierte Genexpressivität erinnern.

Eine Forschungsgruppe unter Leitung von Susan Lindquist am MIT (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA) hat kürzlich die These aufgestellt, dass sich Pflanzen zumindest für ihr Blütengedächtnis Prionen zunutze machen, Proteine mit falsch gefalteten Aminosäureketten. Die Umfaltung (misfolding) könne durch Kettenreaktionen zudem an Nachbarproteine weitergegeben werden. Bei Tieren verheißen Prionen nichts Gutes und verursachen beispielsweise die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit, den sogenannten Rinderwahnsinn. Aber bei den Pflanzen könnten sie für ein originelles biochemisches Gedächtnis sorgen.

Anders als man vielleicht denken könnte, sind solche Studien nicht nur für die Botanik von größtem Interesse. Wenn wir begreifen, wie ein Gedächtnis ohne Gehirn funktioniert, können wir nämlich nicht nur das Rätsel um das Pflanzengedächtnis lösen, sondern auch unser eigenes besser verstehen: Auf welche Weise kann sich unser Gedächtnis verändern oder erkranken? Wie können sich auch außerhalb des Nervensystems spezielle Gedächtnisformen ansiedeln? Noch dazu könnten zahlreiche technologische Entwicklungen von den neuen Erkenntnissen der biologischen Gedächtnisforschung profitieren. Mit anderen Worten: Fortschritte auf diesem Gebiet sind von allgemeinem Interesse für die Menschheit, weil sie uns ungeahnte Möglichkeiten eröffnen können.

2 VON DER PFLANZE ZUM
PLANTOIDEN

Ein Wurzelstock kann Milliarden von Wurzelspitzen besitzen.

Auf dem Bild sieht man einen Ausschnitt des komplexen Mais-Wurzelstocks.

Wer tief in die Natur hineinschaut, wird alles besser verstehen.

Albert Einstein

Ist die Bioinspiration
wirklich ein neuer Ansatz?

Die Roboter-Revolution scheint ihre Probleme nach Jahren der vorschnellen Ankündigungen, Bedenken, Richtigstellungen und Erläuterungen langsam in den Griff zu kriegen: Heute werden in vielen Bereichen, die man noch vor nicht allzu langer Zeit dem Menschen vorbehalten glaubte, zuverlässige und wirtschaftliche Roboter eingesetzt. Manche gehören sogar schon zum Alltag: Nicht mehr nur im Science-Fiction-Film saugen heute Roboter die Wohnung, mähen den Rasen oder sammeln den Papiermüll von der Straße auf.

Doch obwohl die Roboter längst da und aus einigen Bereichen gar nicht mehr wegzudenken sind, betrachten die meisten Menschen sie noch immer, je nach Einstellung, als Zukunftsgespenst oder Zukunftstraum. Schuld daran ist vermutlich das Bild, das wir von ihnen haben. Eigentlich verbreiten sich die Roboter rasend schnell. In der Automobilindustrie, der Medizin oder der Unterwasserforschung sind sie längst unersetzbar geworden, und täglich kommen neue Anwendungsmöglichkeiten hinzu: Roboter mit künstlicher Intelligenz, Putzroboter, Unterwasserroboter etc.

Doch in Gesprächen mit Freunden stellen wir unweigerlich fest, dass offenbar kaum jemand gemerkt hat, dass heute viel mehr Roboter im Einsatz sind als, sagen wir, vor dreißig Jahren. Woran liegt das? Meiner Meinung nach an dem Bild, das wir uns nach Hunderten Science-Fiction-Filmen und -Büchern von ihnen gemacht haben: In unserer Vorstellung ist der Roboter ein Androide mit menschlichen Zügen und Eigenschaften.

Der Begriff Roboter stammt bekanntlich aus dem Tschechischen. Dort bedeutet robota schwere Arbeit oder Zwangsarbeit – im Polnischen heißt der Arbeiter robotnik. Der Begriff tauchte erstmals 1920 in dem Kollektivdrama R.U.R. – Rossum’s Universal Robots des tschechischen Autors Karel Čapek auf, von wo er sich ebenso schnell verbreitete wie die Vorstellung, die damit einherging. Die künstlichen Arbeiter in Čapeks Drama, die dem Menschen das Leben erleichtern sollten, waren aber eigentlich Replikanten, also humanoides Personal. Doch höchstwahrscheinlich entwickelte sich daraus die allgemeine Vorstellung von einem Maschinenwesen, das im Grunde ein humanoider Sklave war, ein vereinfachtes Abbild des Menschen. Schon kurze Zeit später, 1927, sollte das expressionistische Meisterwerk Metropolis von Fritz Lang die Vorstellung vom Roboter als Maschinenmenschen dann für alle Zeiten zementieren. Aber wer sagt denn, abgesehen von Literatur und Film, dass ein Roboter unbedingt wie ein Mensch aussehen muss?

Der menschenähnliche Roboter wirkt aber wohl auch darum so attraktiv, weil er suggeriert, dass wir dadurch menschliches Handeln ersetzen, erweitern oder verbessern würden. Im Grunde war der Mensch bei der Entwicklung seiner Werkzeuge immer bemüht, sich selbst zu kopieren – oder zumindest seinen tierischen Körperaufbau. Nehmen wir etwa den Computer, den Inbegriff der Moderne. Auf den ersten Blick scheint er uns keineswegs zu ähneln, und doch folgt er einem uralten Muster: Ein Prozessor verwaltet, ähnlich wie das Gehirn, Hardware, Peripherie, Festplatte, Arbeitsspeicher, Grafik- und Audiokarten, also sozusagen die in Schlüsseltechnologien umgewandelten Funktionen unserer Organe. Was der Mensch konstruiert und baut, gründet meist mehr oder weniger offensichtlich auf derselben Architektur: Ein «denkendes Gehirn» steuert die «ausführenden Organe». Auch unsere Gesellschaften sind nach diesem Muster aufgebaut.

Doch glücklicherweise geht man seit einigen Jahren bei der Planung und Produktion neuer Materialien und Geräte immer öfter von einem neuen Ansatz aus: der sogenannten Bioinspiration. Sie lässt sich bei der Entwicklung technischer Lösungen von der Natur anregen. Allerdings ist das gar nicht so neu: Schon Leonardo da Vinci (1452 – 1519) griff häufig darauf zurück. So etwa bei seinem «Ritterautomaten» von 1495, dem ersten humanoiden Roboter. Wie man Leonardos Notizen im Codex atlanticus und anderswo entnehmen kann, konnte der Automat aufstehen, Kopf und Arme bewegen, den Mund öffnen und Laute hervorbringen. Der Ritterautomat war höchstwahrscheinlich für ein pompöses Fest am Mailänder Hof der Sforza bestimmt. Auf jeden Fall aber war er von der Natur inspiriert und basierte auf Leonardos anatomischen Studien, wie etwa der berühmten Feder- und Tuschezeichnung Der vitruvianische Mensch.

Das Bühnenbild von Rossum’s Universal Robots. Das Science-Fiction-Stück wurde 1921 in Prag ufgeführt.

Das Büro von Domin, dem Demiurgen und Protagonisten des Stücks, in einer Zeichnung von Vlastislav Hofman.

Die Bioinspiration hat also in der Roboterentwicklung für frischen Wind gesorgt. Und mittlerweile dient nicht nur der Mensch als Vorbild. In der Tierwelt nach Lösungen zu suchen, die man erforschen und nachahmen kann, ist zu einer wahren Goldgrube geworden. Seit einigen Jahren experimentiert man zunehmend mit Animaloiden und Insektoiden, ja selbst Roboter, die Salamander, Esel oder sogar Kraken nachahmen, scheinen vielversprechend. Wenn ein Unterwasserroboter Gegenstände greifen und bewegen soll, ist es zweifellos klug, sich an den intelligenten Oktopustentakeln zu orientieren. Und für einen Amphibienroboter, der problemlos zwischen Wasser und Land wechseln soll, kann man wohl kein besseres Vorbild als den Salamander wählen. Doch scheint sich die Bioinspiration bisher völlig auf das Tierreich zu beschränken. Und was ist mit den Pflanzen? Tja. Offenbar glaubt keiner, dass sie hier eine große Rolle spielen könnten.

Ich sehe das allerdings anders. Meiner Meinung nach gibt es viele gute Gründe, sich bei technologischen Entwicklungen am Pflanzenreich zu orientieren. Pflanzen haben einen sehr geringen Energiebedarf, führen passive Bewegungen aus, sind modular aufgebaut, besitzen – im Gegensatz zur zentralisierten tierischen Intelligenz – eine verteilte Intelligenz und verhalten sich wie Kolonien. Wer nach etwas Robustem, energetisch Nachhaltigem und unglaublich Anpassungsfähigem sucht, wird auf unserer Erde kein besseres Vorbild als die Pflanzen finden.

Warum ausgerechnet die Pflanzen?

Nun denken Sie vielleicht: «Das meint der doch nicht ernst? Roboter, die sich Pflanzen zum Vorbild nehmen? Wozu das denn?» Fassen wir noch mal zusammen: Pflanzen sind mehrzellige, eukaryotische Organismen, die Fotosynthese betreiben und, von wenigen Ausnahmen abgesehen, aus einem oberirdischen Teil und einem Wurzelapparat bestehen. Weil sie ortsgebunden sind und sich notgedrungen an die wechselhaften Umweltbedingungen vor Ort anpassen müssen, haben sie die Fähigkeit entwickelt, sich wachsend in eine geeignete Richtung zu bewegen, sind also außergewöhnlich flexibel.

Bekanntlich fasst man die pflanzlichen Bewegungen unter dem Begriff Tropismus zusammen: Das deutliche Richtungswachstum der pflanzlichen Organe, insbesondere der Wurzeln, ist eine Reaktion auf Umweltreize wie Licht (Fototropismus), Schwerkraft (Gravitropismus), Berührung (Thigmotropismus), Feuchtigkeitsdifferenzen (Hydrotropismus), Sauerstoff (Aerotropismus) oder elektrische Felder (Elektrotropismus).

Neben diesen allgemein bekannten Tropismen kennen wir dank der Forschung an meinem Institut seit Kurzem auch den Phonotropismus, das von einer Lautquelle gesteuerte Pflanzenwachstum. Die Pflanze kann mithilfe der verschiedenen Tropismen in einer feindlichen Umgebung überleben und mit ihren Wurzeln, die für Nahrung und Stabilität sorgen, den Boden besiedeln. Häufig übertrifft der Wurzelstock hinsichtlich Masse und Länge sogar die Baumkrone, und manchmal erreicht er geradezu unvorstellbare Ausmaße.

Und um die Absorptionsfläche der Wurzeln noch erheblich zu erhöhen, bedient sich die Pflanze desselben Tricks wie Dido, die mythische Gründerin von Karthago. Wie die Sage zu berichten weiß, versprach der Numidierherrscher Iarbas der Königin nach ihrer Flucht aus Tyros so viel Land, wie sie mit einer Kuhhaut bedecken konnte. Offenbar wollte er sie hereinlegen. Doch Dido wusste sich zu helfen: Sie schnitt die Kuhhaut in sehr schmale Streifen, legte diese aneinander und steckte so den Hügel ab, auf dem dann Karthago entstehen sollte. Analog dazu kommt eine Weizenpflanze durch die Gesamtlänge ihrer Wurzelhaare auf ein Längenwachstum von über 20 Kilometer – obwohl sämtliche Wurzelhaare in ein einziges Würfelchen von 1,5 Zentimeter Kantenlänge passen würden.

Doch die Wurzelspitzen besitzen noch eine andere grundlegende Eigenschaft: Sie können sich durch extrem festes Material bohren. Obwohl sie so zart und zerbrechlich wirken, entfalten sie außergewöhnliche Druckkräfte und bringen durch Zellteilung und Zellvergrößerung selbst hartes Gestein zum Bersten. Die Wurzel kann nämlich nur wachsen, wenn Poren oder Risse im Boden größer sind als die Wurzelspitze. Ihre Kraft verdankt die Wurzelspitze dem Wasser, das ihre Zellen von innen her anschwellen lässt: Weil durch das osmotische Potenzial der Wurzel eine Potenzialdifferenz entsteht, dringt Wasser in die Zellen ein. Die Zellen schwellen an, und die Zellmembran drückt gegen die feste Zellwand. Je nach Pflanzenart können dabei Druckkräfte von einem bis drei Megapascal entstehen. Und so können sich Wurzeln selbst durch hartes Material wie Asphalt, Beton oder sogar Granit bohren.

Die Individualität der Pflanzen

Es gibt noch eine weitere wenig bekannte Eigenschaft der Pflanzen, von der sich die Roboterentwicklung inspirieren lassen könnte: Pflanzen sind modular und repetitiv aufgebaut. So besteht ein Baum aus sich wiederholenden Modulen, aus denen sich erst seine Gesamtarchitektur und Physiologie ergeben. Das ist etwas völlig anderes als im Tierreich. Eigentlich kann man bei Pflanzen nämlich noch nicht einmal von Individuen sprechen. Das mag seltsam klingen, aber schauen wir einmal genauer hin. Den Begriff «Individuum» kann man mindestens auf zweierlei Weise definieren:

Etymologisch:

Ein Individuum ist eine biologische Einheit, die sich nicht weiter teilen lässt, ohne dass dadurch mindestens ein Teil stirbt.

Genetisch:

Ein Individuum ist eine biologische Einheit mit einem räumlich und zeitlich stabilen Genom. Räumlich, weil das Genom in allen Zellen identisch ist, und zeitlich, weil es über die gesamte Lebensdauer beständig bleibt.

Wie sich schnell zeigt, treffen beide Definitionen auf die meisten Pflanzen eigentlich nicht zu. Betrachten wir zunächst die etymologische Definition: Wenn man eine Pflanze teilt, dann vermehrt sie sich. So schrieb schon der französische Naturwissenschaftler Jean-Henri Fabre (1823–1915): «Bei Tieren bedeutet Teilen in den meisten Fällen töten, bei den Pflanzen aber vermehren.» Das leuchtet nicht nur jedem Biologen sofort ein, sondern wohl auch jedem Hobbygärtner, denn die Vermehrung durch Stecklinge oder Pfropfung macht sich genau das zunutze.

Aber auch die genetische Stabilität der zweiten Definition scheint für die Pflanzen kein Muss. Obwohl das Genom selbst bei den winzigsten Tieren in allen Zellen und lebenslang stabil bleibt, gilt das für die Pflanzen offenbar nicht. Wer sich schon einmal mit der Knospenmutation von Obstbäumen beschäftigt hat, weiß das. In der langen Geschichte des Obstanbaus wurden nämlich immer wieder «mutierte» Äste mit interessanten Früchten entdeckt. Das zeigt sich unter anderem an den Obstsorten, die daraus entstanden sind: So verdanken wir die Nektarinen wohl der Knospenmutation eines Pfirsichbaums und die Pinot-Grigio-Traube der Knospenmutation einer Pinot-Nero-Traube.

Zudem zeugen die faszinierenden Schimären davon, dass ein und dieselbe Pflanze unterschiedliche Genome besitzen kann. Pflanzen, die durch Pfropfung entstehen, setzen sich – wie die Schimären der griechischen Mythologie – aus unterschiedlichen Teilen zusammen. Auch bei den zahlreichen «bizarren» Sorten, beispielsweise von Apfelsine oder Traube, wird diese pflanzliche Eigenheit augenfällig. Hier darf die berühmte Citrus x aurantium bizzarria nicht unerwähnt bleiben, eine äußerst seltene Zitruspflanze, deren Früchte unregelmäßig verteilte Merkmale von Bitterorange und Zitronatzitrone aufweisen. Sie wurde erstmals 1674 von Pietro Nati, dem damaligen Direktor des Botanischen Gartens von Pisa, beschrieben und war lange Zeit das Paradestück der Medici-Sammlungen. Aber dann galt sie als ausgestorben und wurde erst in den 1960er-Jahren «wiederentdeckt». Über solche Kuriositäten hinaus finden sich ähnliche genetische Abweichungen bei allen alten Bäumen.

Die berühmte Citrus x aurantium bizzarria gehört zu den zahlreichen Zitrusfrucht-Schimären. Heute kann man sie in der Villa Medici in Castello oder im Boboli-Garten in Florenz bewundern.

Kurzum, eine Pflanze kann man eigentlich nicht als «Individuum» bezeichnen. Schon am Ende des 18. Jahrhunderts tauchte daher die Vorstellung auf, Pflanzen seien eher wie Kolonien, die aus identischen, sich wiederholenden Elementen bestehen. So schrieb Johann Wolfgang von Goethe (1749 – 1832), der nicht nur ein großer Dichter, sondern auch ein genialer Botaniker war, im Jahr 1790: «Die Seitenzweige also welche aus den Knoten der Pflanzen entspringen, lassen sich als besondere Pflänzchen, welche eben so auf dem Mutterkörper stehen wie dieser an der Erde befestigt ist, betrachten.» Goethes Gedanke wurde dann 1800 von Erasmus Darwin (1731–1802), dem Großvater des berühmten englischen Naturwissenschaftlers Charles Darwin (1809 – 1882), aufgegriffen: «Die Knospe eines Baums ist eine eigene Pflanze; ein Baum ist darum eine Familie, die aus mehreren Pflanzen besteht.» Schließlich ergänzte sein Enkel Charles 1839: «So überraschend die Verbindung separater Individuen in einem gemeinsamen Strunk stets erscheint, zeigt doch jeder Baum das gleiche Faktum, denn Knospen müssen als individuelle Pflanzen betrachtet werden. (…) Wir können die Polypen bei einem Zoophyten oder die Knospen an einem Baum als Fälle betrachten, bei denen die Teilung des Individuums nicht vollständig durchgeführt worden ist.» Und der Botaniker Alexander Braun (1805–1877) schrieb 1855: «Schon das bloße Naturgefühl erweckt bei der Betrachtung des meist verzweigten Pflanzenstocks, namentlich eines Baums (…), die Ahnung, dass dies nicht ein Einzelwesen und Einzelleben sei, dem Individuum des Thiers oder des Menschen gleichzusetzen, sondern vielmehr eine Welt vereinter Individuen.»

Jeder Baum lässt sich als eine Kolonie sich wiederholender architektonischer Module beschreiben.

Die Vorstellung von der «Pflanze als Kolonie» wird also schon seit Langem und von berühmter Seite unterstützt. Sie impliziert zudem, und das dürfte für die Roboterentwicklung von besonderem Interesse sein, eine längere Lebensdauer: Eine Kolonie lebt länger als ihre Teile. Ein Polyp lebt nur wenige Monate, aber die Koralle, die ihn beherbergt, potenziell ewig. Ähnlich ist es mit den Bäumen: Obwohl ihre Grundbausteine nur eine kurze Lebensdauer haben, könnte die Kolonie, der Baum, theoretisch ewig leben.

Wobei zu ergänzen ist, dass nicht nur der oberirdische Pflanzenteil, sondern auch der Wurzelstock modular und repetitiv aufgebaut ist. Jede einzelne Wurzel verfügt über eine autonome Kommandozentrale, die die Bewegungsrichtung vorgibt, kooperiert aber zugleich, wie für Kolonien typisch, mit allen anderen Wurzelspitzen, wenn es allgemeine Probleme zu meistern gilt. Die dezentral organisierte Intelligenz der Pflanzen – das einfache, funktionale System, dank dem sie effizient auf Umweltherausforderungen reagieren können – zeugt eindeutig davon, dass sie eine enorme evolutionäre Entwicklung hinter sich haben.

Von Pflanzen inspiriert: Der Plantoid

Es gibt also, wie wir gesehen haben, viele gute Gründe, sich bei der Roboterentwicklung von den Pflanzen inspirieren zu lassen. Davon war ich jedenfalls felsenfest überzeugt, als 2003 die Idee in mir reifte, einen Plantoiden zu entwickeln. Die ungeahnten Möglichkeiten, die sich dem Roboterbau durch das Pflanzenvorbild eröffnen würden, begeisterten mich, und der Begriff «Plantoid», in Anlehnung an «Android», schien mir für meine Idee mehr als passend. Ich malte mir aus, wo sich die Plantoiden überall als nützlich erweisen konnten, ob in der Bodenerkundung oder der Weltraumforschung, wusste allerdings auch, wie begrenzt meine Roboterkenntnisse waren und sind. Aus meiner Idee konnte nichts werden, wenn ich sie allein weiterentwickelte, das war mir klar, und ich sah meinen Traum schon, wie viele wissenschaftliche Ideen, in irgendeiner Schublade verstauben.

Plantoiden auf einer Fotomontage. Die von Pflanzen inspirierten Roboter sind für alle Arten von Bodenerkundungen geeignet, ob für die Suche nach Ressourcen oder nach Giften.

Glücklicherweise kam es anders. Damals erzählte ich jedem von der Idee, der mir irgendwie zu nahe kam – wenn mich etwas wirklich interessiert, neige ich leider zur Monomanie –, und eines Tages lief mir genau die Richtige über den Weg, die Frau, mit der mein spannender, aber bislang eher theoretischer Traum doch noch wahr werden konnte. Schon 2003, bei unserer ersten Begegnung, war Barbara Mazzolai, heute Leiterin des Zentrums für Mikrobiorobotik am IIT (Italienisches Institut für Technologie mit Sitz in Pisa), eine herausragende Forscherin im Bereich Robotertechnologie – und durch ihr Studium außerdem in der Biologie bewandert. Mit ihr über Roboter und Pflanzen zu reden, ergab sich sozusagen von selbst. Barbara war von der Idee eines Plantoiden fasziniert, und je öfter wir darüber sprachen, desto überzeugter wurden wir, dass sich die Idee auch verwirklichen ließ. Zweifellos würde es viele technische Probleme geben, aber keine unlösbaren. Wir waren uns sicher: Der Plantoid musste einfach das Licht der Welt erblicken.

Die Entwicklung eines Roboters, der wirklich funktionstüchtig und mehr als ein mechanisches Spielzeug ist, erfordert viel Zeit, Arbeit und Geld, umso mehr, wenn es sich um ein völlig neues Konzept handelt. Wie alle begeisterten Forscher waren wir bereit, Zeit und Arbeit in das Projekt zu stecken, aber mit unserem Geld wären wir, bei aller Liebe, nicht weit gekommen. (Informieren Sie sich mal, wie viel ein Forscher in Italien verdient; ich schäme mich, es zu sagen.) Wir mussten also eine Institution oder Stiftung finden, die das Projekt als Partner fördern würde.

Und das sollte sich als äußerst schwierig und zeitraubend erweisen. Die Argumente und Baupläne, die nach unserer Meinung stichhaltig, solide und makellos waren, ließen unsere Gesprächspartner vollkommen kalt. Auch diesmal war es, wie so oft, schwierig, Menschen von der Leistungsfähigkeit der Pflanzen zu überzeugen, die in diesen eher Gartenschmuck sehen, Organismen an der Grenze zur unbelebten Welt.

Und noch schwieriger war es, potenzielle Geldgeber davon zu überzeugen, dass das pflanzliche Vorbild eine völlig neue Robotergeneration ermöglichen würde. Meiner Ansicht nach – und ich hoffe, bald auch nach der meiner Leser – sprachen wir hier über einen hochinteressanten Ansatz mit spannenden Herausforderungen, doch die Wachhunde an den Geldtöpfen sahen das eindeutig anders. Sie konnten der Idee nichts abgewinnen und vermissten einen konkreten Nutzen. Und wenn man gegen die sogenannte «Vorsicht» dieser Leute, die ich allerdings eher als Mangel an Fantasie bezeichnen würde, anrennt, dann hat man meistens schon verloren.

Aber wer für ein visionäres Projekt Geld auftreiben will, darf nicht verzagen: Wenn man wirklich an seine Idee glaubt, wird irgendwann jemand auftauchen, der sich von der eigenen Begeisterung anstecken lässt. In unserem Fall war das Ariadna, eine Initiative des Teams für Fortschrittliche Konzepte (Advanced Concepts Team, ACT) der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Wir konnten das Team von unseren Argumenten für einen bioinspirierten Weltraumroboter überzeugen, und man finanzierte uns unverzüglich eine Machbarkeitsstudie. Die Mittel dafür waren begrenzt, und wir konnten damit nichts bauen, aber die Studie half uns, unsere Ideen zu präzisieren und mögliche Probleme beim Bau des Plantoiden zu identifizieren. Wir präsentierten der ESA am Ende ein Dokument mit dem vielversprechenden Titel Bio-inspiration from plants’ roots (Pflanzenwurzeln als Bioinspiration), in dem die Pläne für den Plantoiden und mögliche Weltraumeinsätze, besonders auf dem Mars, ausführlich erläutert sind und das sich übrigens noch immer im Internet findet.

Unsere Grundidee war simpel: Weil Pflanzen per se Pioniere sind, müssen wir ihre Überlebensstrategien erforschen und nachbilden, wenn wir einen Plantoiden bauen wollen, der in feindlicher Umgebung überlebensfähiger ist als andere Roboter. Und welche Umgebung wäre feindlicher als der Weltraum, etwa der Mars? Das Projekt sah vor, unzählige etwa 10 Zentimeter große Plantoiden in die Marsatmosphäre zu bringen und dort auszusetzen. Sie sollten sich auf dem Mars verteilen und ihre Wurzeln in den Boden graben. So konnten sie den Boden erkunden, während der Roboter durch Fotovoltaikzellen in den oberirdischen Scheinblättern unbegrenzt mit Strom versorgt wurde. Unser Projekt bedeutete eine völlige Umkehrung des Ansatzes, mit dem man die Marserkundung bisher in Angriff genommen hatte. Wir würden keine teuren Roboter ins All schicken, die im Schneckentempo ein winziges Gebiet erkundeten, sondern Tausende von Plantoiden, die sich wie Samenkörner in der Atmosphäre ausbreiteten und über ein großes Gebiet verteilten, die untereinander und mit der Erde kommunizierten und uns so, ohne sich fortzubewegen, unzählige präzise Bodendaten zur Erstellung verlässlicher Landkarten senden würden.

Der erste Plantoid-Prototyp, der im Rahmen des europäischen FET-Projekts gebaut wurde, kann seine Wurzelspitzen in den Boden wachsen lassen.

Nach der Machbarkeitsstudie für die ESA geriet das Projekt allerdings wieder ins Stocken, und jahrelang wollte sich niemand finden, der es finanzierte. Doch 2011 bewarben Barbara und ich uns um eine Förderung der Europäischen Union, mit der «visionäre», also hochriskante, aber auch hochinnovative Projekte ausgezeichnet werden. Die FET-Initiative (Future and Emerging Technologies) war und ist die wichtigste Arena für alle bahnbrechenden europäischen Technologieprojekte. Hier treten sie gegeneinander an und kämpfen um eine ausreichende Finanzierung. Zu unserer großen Überraschung erhielt unsere Bewerbung mit dem Titel Plantoid. Innovative robotic artefacts inspired by plant roots for soil monitoring eine Bewertung von 15/15. Besser ging es nicht! Und wir erhielten endlich eine Finanzierung, mit der wir unseren ersten Plantoiden bauen konnten.

Die nächsten drei Jahre verbrachten wir mit der Planung, Entwicklung und schließlich dem Bau der zahlreichen Module des Plantoiden. Jeder Schritt stellte uns vor Herausforderungen. Als eine der größten Hürden für Barbaras Forschungsinstitut erwies sich die Nachbildung des Wurzelwachstums. Keine leichte Aufgabe; noch heute gehören selbstwachsende Mechanismen zu den großen Herausforderungen der Robotertechnik.

Den Wachstums- und Bewegungsprozessen der Wurzeln liegen hauptsächlich zwei Mechanismen zugrunde: die Zellteilung im Apikalmeristem, unmittelbar unter der Wurzelspitze, und die Zellvergrößerung im dahinterliegenden sogenannten Streckungsbereich. Beim Bau der Roboter-Wurzelspitzen ahmten wir beide Mechanismen mithilfe eines Kunststofftanks nach, der das Wachstum der Roboterwurzel vorantrieb. Unsere Roboter-Wurzelspitze bildete zudem die sensorischen Fähigkeiten der Wurzel nach: Mit einem Beschleunigungssensor folgte sie der Schwerkraftrichtung, mit einem Feuchtigkeitssensor spürte sie geringste Wasserdifferenzen auf; verschiedene chemische Sensoren sowie Osmose-Aktoren verwandelten osmotischen Druck in Bewegung und gewährleisteten die richtige Ausrichtung und das Eindringen in den Boden, und eine der verteilten Wurzelintelligenz nachempfundene Mikrosteuerung verwaltete sämtliche Sensordaten. Als die Roboterwurzeln unseres Plantoiden schließlich fertig waren, mussten wir noch die Blätter bauen. Sie stellten uns allerdings vor weniger Probleme. Wir bildeten den Fotosyntheseprozess einfach durch Fotovoltaikzellen nach, die den nötigen Betriebsstrom für alle Funktionen erzeugten.

Weil der Plantoide sich, analog zur Anpassungsstrategie der Pflanze, äußerst langsam bewegt, kann er seine Umgebung effizient erforschen und sich an die vorgefundenen Bedingungen anpassen. Dank neuartiger Osmose-Aktoren können die Wurzelspitzen wachsen und ihre Lage im Boden verändern. Dabei kommunizieren sie mit allen anderen Wurzelspitzen und erfassen auch deren Daten. Sie arbeiten also mit der pflanzentypischen Strategie der verteilten Intelligenz.

Heute sind Plantoiden Wirklichkeit und können in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden: bei radioaktiver und chemischer Verseuchung, Terrorangriffen, der Kartierung von Minenfeldern, in der Weltraumforschung, bei Mineralien- oder Erdölsuche, speziellen Urbarmachungen oder in der Landwirtschaft 2.0. Barbara arbeitet bis heute an Verbesserungen und Spezialausstattungen für Plantoiden. Wir sind schließlich noch ganz am Anfang unseres spannenden Weges. Doch mittlerweile betrachten immer mehr Menschen Pflanzen als ein vielversprechendes Vorbild, dessen Nachahmung uns neue technologische Möglichkeiten eröffnet. Und ich wünsche mir oder bin mir eigentlich sicher, dass sich schon bald friedliche Plantoiden um unsere Gärten und Fabriken kümmern werden.

3 DIE RAFFINIERTE KUNST
DER NACHAHMUNG

Die Pflanzen der Gattung Lithops sind unter dem Namen «Lebende Steine» bekannt. Sie wachsen in den Trockenzonen Südafrikas und Namibias.

Die Nachahmung des Schönen der Natur ist entweder auf einen einzelnen Vorwurf gerichtet, oder sie sammelt die Bemerkungen aus verschiedenen einzelnen, und bringet sie in eins.

Johann Winckelmann, Gedanken über die Nachahmung

Je mehr ich die Natur studire, desto mehr werde ich von der immer zunehmenden Überzeugung durchdrungen, dass die schönsten Einrichtungen und Anpassungen, welche jedem in verschiedener Richtung zufällig variirenden Organe dadurch zu Theil geworden, dass natürliche Züchtung diejenigen dieser Abänderungen, welche dem Organismus in dem bestandigen Wechsel der äusseren Lebensbedingungen nützlich seyn konnten, beibehalten und admissirt hat, in unvergleichlich hohem Grade alles übersteigen, was sich die fruchtbarste Einbildungskraft irgendeines Menschen als Ergebniss während einer unbegrenzten Zeitdauer nur vorstellen kann.

Charles Darwin, Über die Einrichtungen zur Befruchtung Britischer und Ausländischer Orchideen Durch Insekten und Über die Günstigen Erfolge der Wechselbefruchtung

Vorbild, Nachahmer und Empfänger

Wenn es um Nachahmung in der Natur geht, werden immer wieder dieselben Tiere genannt: Chamäleon, Mittelmeerstabschrecke, Gottesanbeterin, bestimmte Schmetterlinge, Raupen, Fische wie die Scholle, Oktopusse … Dabei sind Pflanzen in puncto Mimese und Mimikry keineswegs weniger skrupellos und häufig sogar noch erheblich raffinierter.

Es gibt in der Natur verschiedene Formen der Nachahmung. Wir meinen in der Regel zwei: Mimese oder Tarnung, bei der der Nachahmer seinen Lebensraum imitiert, um ungesehen zu bleiben, und Mimikry oder Warnung, bei der ein potenziell gefährliches oder gefürchtetes Lebewesen in Verhalten, Form oder Farbe imitiert wird. Aber eigentlich umfasst die Nachahmung noch viele weitere und vielfältigere Phänomene. Weil das für unser Thema von Bedeutung ist, möchte ich es näher erläutern und zunächst ein wenig abschweifen.

Jedes Lebewesen ist unabhängig von seiner Komplexität gezwungen, seine innere Organisation zu erhalten, die von Natur aus zur Auflösung und Unordnung strebt. Dazu muss es unter anderem auswählen und Entscheidungen treffen. Es muss beispielsweise aus einem Substrat die richtigen Nährstoffmoleküle auswählen, Feinde von Freunden unterscheiden oder je nach Ressourcenlage wachsen oder schrumpfen. Jeder Organismus ist ein offenes System, das Informationen aussendet und empfängt. Alle Lebewesen tauschen demnach mit ihrer Umwelt überlebenswichtige Daten aus. Und das heißt: Kommunikation ist für alle Lebewesen unerlässlich. Selbst der simpelste Organismus kann das sensible Gleichgewicht, das Leben letztendlich ausmacht, nur mithilfe von Kommunikation erhalten.

Jedes Lebewesen muss also jederzeit in der Lage sein, Objekte, Mitglieder der eigenen Art, Gefahren und so weiter zu erkennen. In bestimmten Momenten seines Lebens muss es unweigerlich mit anderen interagieren, also Botschaften senden oder empfangen.

Wenn ein Lebewesen ein visuelles, olfaktorisches, akustisches oder sonstiges Signal aussendet, um das Verhalten eines anderen Lebewesens in seinem Sinne zu beeinflussen, bewegen wir uns schon im Bereich der Nachahmung. Um von Nachahmung sprechen zu können, muss es also ein Vorbild geben (einen Organismus, der das Signal ursprünglich hervorbringt), einen Nachahmer (der davon profitiert, das Signal des Vorbilds nachzuahmen) und einen Empfänger (der im Sinne des Nachahmers auf die Botschaft reagiert).

Die Königin der Mimikry, Boquila trifoliolata, und die Augen der Pflanzen

Wie gesagt, zeigt sich die Kunst der Nachahmung, zumindest meiner Meinung nach, in der Pflanzenwelt noch in wesentlich raffinierteren und virtuoseren Formen als in der Tierwelt. Doch die ausgefeilten Nachahmungsfähigkeiten der Pflanzen sind auch noch in anderer Hinsicht interessant. Wenn man sich näher damit beschäftigt, erkennt man nämlich, dass die Pflanzen unerwartete sensorische Fähigkeiten besitzen. Das wird etwa an der außergewöhnlichen Nachahmungsfähigkeit von Boquila trifoliolata deutlich.

Sie ist sozusagen der Zelig der Pflanzenwelt und mit Sicherheit der ungewöhnlichste Nachahmer der Natur. Die Kletterpflanze wächst in klimatisch gemäßigten Waldgebieten Chiles und Argentiniens und ist die einzige Art ihrer Gattung. Sie ist relativ weit verbreitet, hat daher in Chile viele Namen (Pilpil, Voqui, Voquicillo, Voquillo, Voqui blanco) und bringt genießbare Beeren hervor. Doch obwohl Hunderte von Biologen, ob Experten oder Pflanzenliebhaber, die seit Langem bekannte Art gründlich erforscht und in ihrem ursprünglichen Habitat beobachtet haben, ist erst vor wenigen Jahren jemandem aufgefallen, dass die Pflanze ein unglaublicher Nachahmungskünstler ist.

Der Botaniker Ernesto Gianoli spazierte 2013 durch die südlichen Wälder Chiles und traf zum zigsten Mal in seinem Forscherleben auf ein Exemplar der Boquila trifoliolata. Nichts Besonderes also, die Pflanze war schon bestens bekannt und beschrieben, doch plötzlich fiel ihm etwas auf. Man muss dazu wissen, dass ein Botaniker im Wald ähnlich vorgeht wie ein Sammler auf dem Flohmarkt: Mit all seinen Sinnen in Habtachtstellung hofft er auf das eine besondere Stück, das alle anderen übersehen haben. Wenn er in der Hoffnung auf eine noch unentdeckte Art durch die Wälder streift, hält er Ausschau nach den verborgensten Kleinigkeiten, nach winzigen Abweichungen in Form und Farbe, nach irgendetwas, das eine Pflanze zu etwas Besonderem machen könnte. Das können selbst Nebensächlichkeiten sein. Und als Ernesto Gianoli an diesem Tag einen in dieser Gegend häufigen Busch betrachtet, fällt ihm auf, dass die Blätter ein wenig anders aussehen als erwartet. Er schaut genauer hin und stellt fest, dass die Blätter gar nicht zu dem Busch gehören, sondern zu der Kletterpflanze, die auf ihm wächst. Die Kletterpflanze, das sieht er sofort, ist eine waschechte Boquila trifoliolata, aber ihre Blätter sehen nicht aus, wie sie seiner Erinnerung nach aussehen müssten. Sie ähneln überraschenderweise den Blättern des Strauchs, den sie erklommen hat.

Die in den gemäßigten Wäldern Chiles weitverbreitete Boquila trifoliolata ist eine unglaubliche Nachahmungskünstlerin. Das Bild zeigt ihre normalen Blätter.

In der Hoffnung, vielleicht noch ein ähnliches Exemplar zu entdecken, schaut Gianoli sich um. Und was er sieht, macht ihn sprachlos: Offenbar ahmt Boquila trifoliolata äußerst geschickt verschiedenste Blätter ihrer «Wirts»-Büsche und -Sträucher nach. Sie kann scheinbar problemlos die unterschiedlichsten Blätter nachbilden. Das schafft, soweit Gianoli weiß, keine andere Pflanze; selbst die Meisternachahmer unter den Pflanzen, die Orchideen, können nur eine einzige Art imitieren und höchstens Blüten hervorbringen, die denen mehrerer Arten ähneln. Die Nachahmung unterschiedlicher Vorbilder war bislang dem Tierreich vorbehalten. Elektrisiert von seiner Entdeckung, aber auch ein wenig skeptisch, startet Gianoli mit seinem Studenten Fernando Carrasco-Urra eine lange Versuchsreihe, um seine Entdeckung zweifelsfrei zu belegen. Denn es würde wohl nicht leicht werden, die wissenschaftliche Community davon zu überzeugen, dass eine Pflanze Maße, Form und Farbe völlig unterschiedlicher Arten nachahmen kann. Doch das Ergebnis sollte am Ende noch verblüffender sein als gedacht.

Boquila kann nicht nur die Blätter der zahlreichen Arten nachahmen, an denen sie emporklettert. Wenn sie neben zwei oder sogar drei unterschiedlichen Arten wächst, kann sie jeweils die Blätter der am nächsten stehenden Nachbarpflanze imitieren. Ein und dasselbe Exemplar kann also Maße und Farbe seiner Blätter, je nach Nachbarpflanze, wiederholt verändern. Die Entdeckung von Gianoli und Carrasco-Urra sollte weitreichende Folgen haben. Wenn eine Pflanze ihre Blätter nämlich derart flexibel variieren kann, dann muss ihre Genexpression auf bislang völlig undenkbare Weise modifizierbar sein.

Dass es sich bei Boquila trifoliolata um eine außergewöhnliche Nachahmungskünstlerin handelt, ist wohl deutlich geworden. Ich bin auf dem Gebiet zwar kein Fachmann, und es ist schwer, sich wirklich einen Überblick über die zahllosen Formen der Nachahmung zu verschaffen, die sich im Lauf der Evolution herausgebildet haben, aber ich glaube mit ziemlicher Sicherheit sagen zu können, dass dies in der Natur der einzige Fall ist, bei dem ein Lebewesen Gestalt, Maß und Farbe gleichzeitig verändert. Relativ häufig wird eins dieser Merkmale, meistens die Farbe, imitiert und manchmal auch zwei, aber dass drei Merkmale gleichzeitig nachgeahmt werden, wäre auch für die Tierwelt neu.

Wie wir am Anfang des Kapitels festgestellt haben, muss der Nachahmer, in unserem Fall Boquila trifoliolata, aus der Nachahmung einen Nutzen ziehen. Welchen Nutzen kann die Nachbildung der Wirtsblätter für eine Pflanze haben? Sie könnte sich damit vor Schädlingen schützen. Wenn Boquila etwa die Blätter giftiger Pflanzen nachahmt, die von pflanzenfressenden Insekten gemieden wären, könnte sie von der Verwechslung profitieren. Diese Art der Nachahmung nennt man nach dem englischen Naturwissenschaftler Henry Walter Bates (1825–1892) Bates’sche Mimikry Hierbei tritt sozusagen das Schaf im Wolfspelz auf. Die Bates’sche Mimikry ist in der Pflanzenwelt relativ häufig. So können beispielsweise bestimmte Lippenblütler wie die Weiße Taubnessel (Lamium album) oder der Wald-Ziest (Stachys sylvatica) nahezu perfekt Brennnesselblätter imitieren, um sich vor Pflanzenfressern zu schützen. Ein zweiter, einfacherer – und laut dem berühmten Ockham’schen Sparsamkeitsprinzip damit vorzuziehender – Grund für die Nachahmung von Boquila trifoliolata könnte sein, dass für sie dadurch die statistische Wahrscheinlichkeit sinkt, von pflanzenfressenden Insekten angegriffen zu werden. Weil der Wirt wesentlich mehr Blätter hat als sie, würde er bei einem Angriff stärker geschädigt als der Nachahmer. Wir wissen leider nicht, welche der beiden Thesen nun stimmt. Wie so häufig, spielen vermutlich mehrere Faktoren eine Rolle.

Wie Ernesto Gianoli berichtet, gelang es Boquila manchmal nur unter großen Schwierigkeiten, bestimmte Merkmale, etwa die Zähnung, nachzubilden. Doch sie «gab ihr Bestes» und produzierte zumindest Blätter mit «angedeutetem» gezähnten Rand. Die genaue Beschreibung des Phänomens war für die Forschung allerdings erst der Anfang. Denn bei genauerer Überlegung muss man sich ja nicht nur fragen, wie Boquila sich so schnell verwandeln kann, sondern vor allem, woher sie überhaupt weiß, was genau sie nachahmen muss. Die Studie von Ernesto Gianoli und Fernando Carrasco-Urra, in der die ungewöhnliche Mimikry von Boquila trifoliolata erstmals beschrieben wird, stellt dazu zwei Thesen auf. Erstens, die Pflanze erkennt ihr Vorbild anhand flüchtiger Stoffe der Wirtspflanze. Da Boquila allerdings in einem Gemisch aus flüchtigen Stoffen lebt, die von zig Pflanzen ihrer Umgebung abgegeben werden, aber nur die Nachbarblätter nachahmt, scheidet diese These mit hoher Wahrscheinlichkeit aus. Die zweite These, nach der die Gene der Wirtspflanze durch geheimnisvolle Mikroorganismen auf Boquila übertragen werden, scheint allerdings noch unwahrscheinlicher. Kurzum, woher die Königin der Mimikry weiß, was sie nachahmen muss, ist nach wie vor ein Rätsel.

Der Wald-Ziest (Stachys sylvatica) ahmt Brennnesselblätter täuschend echt nach.

Blätter und Stiele der Brennnessel (Urtica dioica) sind mit einer brennenden Substanz beschichtet, die Fressfeinde abschreckt.

Im September 2016 konnte ich gemeinsam mit meinem hochgeschätzten Freund und Kollegen, Professor František Baluška von der Universität Bonn, mit dem ich ungefähr fünfzig wissenschaftliche Aufsätze verfasst habe, nun eine neue Lösung für die knifflige Frage vorlegen: Wir halten es für denkbar, dass die Pflanze über eine Art Sehvermögen verfügt. Das klingt zunächst vielleicht absurd oder gar nach Science-Fiction, aber ich halte das für die plausibelste Erklärung. Wieso? Das will ich gern erklären.

Schon 1905 hat der berühmte Botaniker Gottlieb Haberlandt (1854–1945) die These aufgestellt und damit nicht nur in der wissenschaftlichen Community Aufsehen erregt, dass Pflanzen mittels der Epidermiszellen Bilder sehen können und somit über eine Art Sehvermögen verfügen. Da die Epidermiszellen häufig wie konvexe Linsen geformt seien, so die These, könnten darüber Bilder auf darunterliegende Zellschichten projiziert werden. Laut Haberlandt funktionieren die Epidermiszellen der Pflanzen wie Ozellen, die einfachen Augen vieler wirbelloser Tiere. Haberlandts These stieß auch bei Francis Darwin (1848–1925), seinerseits renommierter Professor für Pflanzenphysiologie an der Universität Cambridge und Sohn des berühmten Charles Darwin, auf große Zustimmung; er kam im Zusammenhang mit dem pflanzlichen Wahrnehmungsvermögen wiederholt darauf zurück und verwies dabei stets auf ihre wissenschaftliche Fundiertheit.

Auf dem Dubliner Kongress, bei dem Francis Darwin den Pflanzen ganz offen Gedächtnis und Verhalten zugestand – ich habe darüber in meinem Buch Die Intelligenz der Pflanzen berichtet –, präsentierte Harold Wager (1862 –1929), Mitglied der Royal Society, einem verblüfften Publikum zudem mehrere Fotografien, bei denen als fotografische Linse Epidermiszellen verschiedener Pflanzen verwendet worden waren. Das Publikum bestaunte die ziemlich detaillierten Personenporträts und Landschaftspanoramen, die zumindest unter rein optischen Gesichtspunkten ein Sehvermögen der Pflanzen plausibel erscheinen ließen. Und was folgte daraus? Nichts. Wie viele andere vor allem botanische Theorien geriet Haberlandts These schon bald in Vergessenheit. Es wurde noch nicht einmal versucht, sie zu beweisen oder zu widerlegen. Vermutlich war das Thema zu abseitig, um sich näher damit zu beschäftigen und Zeit und Geld damit zu «vergeuden».

Als Linse für diese Fotos diente Harold Wager die Epidermis von Pflanzenblättern. Rechts ein Artikel dazu in der «New York Times».

Haberlandts These fiel dem Vergessen anheim. Im vergangenen Jahrhundert wurde sie in keinem wissenschaftlichen Aufsatz auch nur erwähnt. Doch in den letzten fünf Jahren konnte durch mehrere überraschende wissenschaftliche Entdeckungen stichhaltig belegt werden, dass sogar Einzeller Sehvermögen besitzen, und auf einmal war Haberlandts Theorie wieder angesagt. Haberlandts pflanzliches Sehvermögen und seine Ozellen waren plötzlich nicht mehr nur eine interessante alte Theorie, sondern wieder eine ernsthafte Überlegung wert.

Dinoflagellaten sind mikroskopisch kleine Algen und eine der wichtigsten Phytoplankton-Gruppen. Manche Arten besitzen hochkomplexe Ozellen.

Wie gesagt, die plausibelste Erklärung für die Mimikry der Boquila ist, dass Pflanzen über ein rudimentäres Sehvermögen verfügen. Sie könnten damit nicht mehr als viele Einzeller auch. Wie eine neuere Studie zeigt, misst etwa das prokaryotische Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 nicht nur mithilfe von Fotorezeptoren Intensität und Farbe des Lichts, sondern verwandelt seinen einzelligen Körper auch in eine Mikrolinse und bestimmt so seine Position im Verhältnis zur Lichtquelle. Das Bild der Lichtquelle durchdringt dabei die konvexe Membran, wird auf die Gegenseite projiziert und löst eine Fluchtbewegung aus.

Andere Einzeller wiederum, etwa Dinoflagellaten, komplexere Eukaryoten also, verfügen über ungewöhnlich raffinierte Ozelloide, die ähnlich arbeiten wie Linse und Retina. Auch viele Wirbellose sind mit Ozelloiden, Ozellen oder einem ganzen Arsenal mehr oder minder komplexer Sehorgane ausgestattet, die völlig anders aufgebaut sind als unsere Augen. Wir denken beim Stichwort Sehvermögen immer sofort an unsere eigenen Augen, doch die Natur kennt zahllose Sehsysteme. Kurzum, vieles spricht dafür, dass auch die Pflanzen oder zumindest einige wie Boquila trifoliolata über ein rudimentäres Sehvermögen verfügen.

Und wahrscheinlich möchten Sie jetzt endlich wissen, ob ich mit meiner These richtigliege. Leider müssen Sie sich in diesem Punkt noch ein wenig gedulden, doch nicht mehr lange. Schon in nicht allzu ferner Zukunft wird sich zeigen, ob die These stimmt oder, um es mit Einstein zu sagen, nur eine wunderbare Theorie ist, die leider von der hässlichen Wirklichkeit zerstört wurde.

In der Epidermis von Blättern und Wurzeln finden sich typische Ozellen-Merkmale, etwa Strukturen, die Hornhaut und Netzhaut entsprechen.

Pflanzen, Steine und farbige Signale

Überall in der Natur wird nachgeahmt. Und alle Nachahmer sind faszinierend, auch wenn nicht alle so einfallsreich sein mögen wie Boquila. Nicht unerwähnt bleiben soll darum die Tarnung der Lithops, ein weiteres Musterbeispiel für die mimetische Raffinesse der Pflanzen. Die Gattung der Lithops (von griechisch lithos, der Stein, und opsis, das Aussehen) gehört zur Familie der Mittagsblumengewächse (Aizoaceae) und kommt vor allem in den Wüsten Namibias und Südafrikas vor. Lithops sehen wie Steine aus, sind dabei aber nicht nur geschickte Nachahmer, sondern auch perfekt an das Leben in der Wüste angepasst.

Lithops sind kleine Sukkulenten und besitzen nur zwei Blätter. Diese sind durch einen Spalt getrennt, aus dem die Blüten wachsen. Mithilfe der beiden Blätter ahmen sie perfekt die Form und Färbung kleiner Steine nach, mit Streifen und Flecken von Grün bis Rostrot oder von Weiß bis Grau und Lila. Wahrscheinlich haben Sie schon mal welche im Gartencenter gesehen, wo sie als «Lebende Steine» angeboten werden. Um in der heißen, trockenen Wüste zu überleben, besitzen sie nur einen rudimentären, oft unterirdischen Stiel. Lediglich die steinähnlichen Blätter und häufig sogar nur deren glatte Oberseiten wachsen über der Erde. Vielfach handelt es sich bei den Blättern um sogenannte Fensterblätter: Aus Mangel an Chlorophyll verfügen sie über transparente, lichtdurchlässige Flächen, die das Sonnenlicht tief ins Pflanzeninnere und bis an Stellen eindringen lassen, die nicht direkt von der Sonne beschienen werden.

In diesem Fall liegt auf der Hand, welchen Nutzen die Pflanze von ihrer steinernen Tarnung hat. Da sie keine Stacheln oder Ähnliches besitzt, kann sie sich so vor Pflanzenfressern schützen. Zumal das Wasser der Sukkulenten in der Wüste ein besonders wertvolles Gut ist. Die Farbkombinationen und Farbveränderungen der Pflanzen sind zudem ein effizientes Kommunikationsmittel. Doch während die evolutionäre Funktion der Farben in der Zoologie ein wichtiger Forschungsbereich ist, wurde er in der Botanik, abgesehen von der Bedeutung der farbenprächtigen Blüten für die Bestäubung, bislang sträflich vernachlässigt. Lithops nutzen Formen und Farben, um sich zu tarnen und vor Fressfeinden zu schützen. Viele andere Pflanzen senden jedoch genau das entgegengesetzte Signal aus. Sie wollen andere durch Farbe und Form vor ihrer Stärke und Gefährlichkeit warnen.

Der Kaktus Blossfeldia liliputana ahmt ähnlich wie Lithops Steine nach, um sich vor Angreifern zu schützen.

Lithops aucampiae. Die beiden ovalen Hälften der Pflanze sind zwei sukkulente Blätter, die an die extreme Trockenheit besonders gut angepasst sind.

Ein faszinierendes Beispiel für diese Art von Mimese ist möglicherweise auch das prächtige Herbstkleid der Laubbäume. Möglicherweise, weil dies bislang nicht eindeutig belegt werden konnte. Noch bis vor wenigen Jahren nahm man nämlich an, dass es sich bei der roten, orangen und gelben Farbpracht unserer Herbstwälder lediglich um einen Nebeneffekt des Chlorophyllabbaus handele, der die sonst durch das Grün überlagerten Farben zum Vorschein bringe. Doch dann stellte man überrascht fest, dass manche Arten schon Tage oder Wochen vor dem Laubabwurf erhebliche Ressourcen darauf verwenden, Moleküle zur Färbung der Blätter zu produzieren, und konnte sich der Vermutung nicht erwehren, dass das Herbstlaub doch eine etwas komplexere Angelegenheit sein könnte. Denn warum sollten die Bäume in scheinbar vollkommen Sinnloses investieren, das noch dazu von so kurzer Dauer war? Das Rätsel könnte durch eine These gelöst werden, die Bill Hamilton von der Universität Oxford im Jahr 2000, wenige Monate vor seinem Tod, aufstellte. Die aufwendige Herbstfärbung der Laubbäume wäre demnach ein sogenanntes «ehrliches Signal», mit dem der Baum gegenüber Blattläusen Stärke demonstriert. Solche Signale heißen «ehrliche Signale», weil sie offensichtlich erhebliche Anstrengungen voraussetzen.

Haben Sie schon einmal einen dieser Filme gesehen, wo Gazellen beim Anblick eines Leoparden wie aufgezogen auf der Stelle hüpfen, statt sofort zu fliehen? Auf den ersten Blick scheint ihr Verhalten vollkommen sinnlos und reine Energieverschwendung. Doch die Gazellen wollen dem Löwen damit etwas sagen: «Guck mal, wie stark und kräftig ich bin, wenn du mich jagst, vergeudest du nur unnütz Energie.» Es könnte also sein, dass die Bäume mit ihrer prächtigen Färbung Stärke und Kraft signalisieren und die Blattläuse, die im Herbst besonders wanderfreudig sind, animieren wollen, sich ein schwächeres Opfer zu suchen. Dann wäre es auch kein Zufall, dass gerade der besonders blattlausanfällige Ahorn ein außergewöhnlich prachtvolles Herbstkleid trägt. Ähnliche «ehrliche» Signale sind auch das Hinterteil der Paviane oder die ach so menschliche Zurschaustellung von Statussymbolen. Beides wäre völlig unverständlich, wenn es nicht eigentlich um eine Demonstration der Stärke ginge. Und laut dem amerikanischen Physiologen und Evolutionsbiologen Jared Diamond zählen sogar hochriskante menschliche Verhaltensweisen wie das Bungee-Jumping zu solchen Signalen.