Pflanzenkommunikation

Nach einer repräsentativen Emnid-Untersuchung im Auftrag des Magazins Zeit Wissen sind fast die Hälfte der Bundesbürger (49 Prozent) davon überzeugt, dass Pflanzen Gefühle haben. Jeder Dritte bekannte sich sogar dazu, mit Pflanzen zu sprechen. Viele Deutsche glauben auch, dass Pflanzen es einem danken, wenn man mit ihnen spricht.

Haben Pflanzen tatsächlich so etwas wie Gefühle? Oder sind sie vielleicht doch nur Bioroboter, die nützliche Biomasse produzieren? In dieser Sendung wollen wir verschiedene wissenschaftliche Erkenntnisse zu diesem Themenkomplex vorstellen. Innerhalb der Botaniker hat sich seit einigen Jahren eine Gruppe von Wissenschaftlern gebildet, die einen neuen Forschungszweig etabliert hat, nämlich die Pflanzenneurobiologie. Sie haben dazu eine Fachgesellschaft gegründet, die Society for Plant Neurobiology. Es gibt inzwischen auch ein internationales Fachmagazin mit dem Titel „Plant Signaling and Behaviour“. Die Bezeichnung Neurobiologie im Zusammenhang mit Pflanzen erstaunt vielleicht, da dieses Fachgebiet normalerweise für die Erforschung des menschlichen und tierischen Nervensystems zuständig ist.

Sollten Pflanzen denn tatsächlich so etwas wie Nerven besitzen?

Dazu eine aktuelle Meldung von Pressetext Deutschland vom 18.02.2009:

Pflanzen kommunizieren durch Elektrosignale – Reaktion auf Umweltreize bereits nach zwei Sekunden messbar.
Vergleichbar mit Quallen und Würmern, kommunizieren auch Pflanzenzellen durch elektrische Signale. Diese Widerlegung der Annahme der Botanik, das Pflanzenzellen ausschließlich durch chemische Signale kommunizieren, liefert eine Studie der Universitäten Florenz und Bonn. Die Biologen untersuchten die Wurzelspitzen von Mais und konnten elektrische Signale nachweisen, die über pflanzliche Synapsen schnell von Zelle zu Zelle weitergeleitet werden. „Pflanzen nehmen Veränderungen ihrer Umwelt sehr aktiv wahr und müssen diese Information auch integrieren. Das könnte in der Wurzelspitze geschehen, die wie ein Kommandozentrum agiert“, erklärt der Biologe Frantisek Baluska vom Institut für zelluläre und molekulare Botanik der Universität Bonn. Wurzeln können besonders schnell auf Lageänderung reagieren. Dazu scannen sie den Boden ständig nach über 20 Parametern wie Verfügbarkeit von Wasser oder Nährstoffen, Temperaturwechsel oder Licht. Über Aktionspotenziale erfolgt die Weitergabe der Reize...

Pflanzen verfügen über erstaunliche sensorische Fähigkeiten, dazu Professor Dieter Volkmann, der zusammen mit Baluska, siehe oben, eine Arbeitsgruppe der Universität Bonn leitet: „Pflanzen haben mehr Sinne, also Sensoren, als wir Menschen. Pflanzen können sehen, hören, sprechen, riechen, schmecken, fühlen und kommunizieren.“

Dazu einige Beispiele:

Pflanzen fühlen
Ein sanftes Streicheln mit einer Baumwollfaser genügt, damit ein Sonnenblumenkeimling beim Wachsen seine Richtung ändert. Berührungen können bestimmte Pflanzengene aktivieren, die sogenannten „touch genes“, also Berührungsgene. Sind diese Gene erst einmal aktiviert, ändert sich das Wachstum der Pflanze.

Planzen sehen
Die Blume Portulaca kann direkte Sonnenstrahlen von reflektiertem Licht unterscheiden, weil dieses andere Rot- und Blauanteile hat.

Pflanzen schmecken
Landpflanzen können ihre Wurzeln zielgerichtet zu nahegelegenen Mineralien wachsen lassen. Ihre Wurzelspitze ist sensibler als jede Feinschmeckerzunge.

Pflanzen können riechen und sogar kommunizieren
Mais produziert ein Insektengift, wenn Käferlarven ihn anknabbern. Diesen Abwehrstoff gibt er auch an seine Umgebung ab, benachbarte Maispflanzen können ihn erschnüffeln und aktivieren vorsorglich ihre eigene Giftproduktion.

Pflanzen haben einen Sinn für künftige Ereignisse
Tomaten spüren atmosphärische Tiefs drei Tage im Voraus und verstärken ihre Außenhaut.

Pflanzen können hören und mögen Musik
Pflanzen haben zwar keine Ohren, aber jede ihrer Zellen hat eine Membran, empfindlicher als das menschliche Hörorgan. In der Toskana in Montalcino gibt es Experimentierfelder für pflanzliches Hören. Dort untersucht der Biologe Stefano Mancuso von der Universität Florenz, warum Wein, der regelmäßig mit Kompositionen von Mozart, Bach, Vivaldi und Mahler beschallt wird, besser wächst. Auf einem 42 ha großen Gelände berieselt Mancuso seit 2001 junge und alte Pflanzen. Die Pflanzen lieben anscheinend besonders Mozart. Der Musikeinsatz führt grundsätzlich zu größeren und süßeren Früchten, außerdem ist ein positiver Effekt, dass Schadinsekten offensichtlich nicht beschallte Pflanzen bevorzugen. Stefano Mancuso zieht nach seinen mehrjährigen Feld- und Laborstudien Bilanz „Unsere Sprache oder auch Musik sind stark genug, um Pflanzenmembranen zu reizen. Die Frequenzen der Töne können durchaus einen Einfluss auf das Wachstum haben, auch wenn das manche Wissenschaftler nicht gerne hören.“

Chinesischen Wissenschaftlern gelang der Nachweis, dass ein niederfrequenter Klang die Aktivität von Enzymen erhöht und die Zellmembranflüssigkeit stimuliert. Dabei wurden messbar Gene angeregt. Südkoreanische Forscher fanden Mitte 2008 einen weiteren Beleg für die anregende Wirkung von Musik auf Pflanzen. Das Team vom staatlichen Institut für landwirtschaftliche Biotechnologie beschallte Reispflanzen mit klassischen Musikstücken wie Beethovens Mondscheinsonate. Bei ganz bestimmten Frequenzen wurden zwei Gene in den Pflanzen besonders aktiv, die für das Wachstum zuständig sind.

Sind Pflanzen intelligent?

Intelligentes Verhalten ist nach dem neuseeländischen Psychologen und Philosophen David Stenhouse adaptives und variables Verhalten während der Lebenszeit eines Individuums. Nach Erkenntnissen von Anthony Trewavas von der Universität Edinburgh trifft dies auch auf Pflanzen zu. Ein Beispiel für vorausplanendes Verhalten von Pflanzen ist die in Europa vorkommende Quendelseide Cuscuta. Sie ist eine Schlingpflanze, die von anderen Pflanzen schmarotzt, wobei sie dabei sehr wählerisch und berechnend vorgeht. Wenn sie eine potenzielle Wirtspflanze mit ihren Saugnäpfchen das erste Mal berührt, tut sie das nur, um zu erkunden, wie ergiebig die Wirtspflanze ist. Die Quendelseide wägt Aufwand und Ausbeute – und dies ist das Erstaunlichste – etwa vier Tage im Voraus ab, denn so lange braucht sie, um nach dem ersten Kontakt zur Nährstoffquelle zu gelangen.

Pflanzen können sich aus der Qualität des Lichts über die Stellung ihrer Nachbarn informieren, bevor sie von diesen effektiv beschattet werden. Das von der Nachbarpflanze reflektierte Licht gibt ihnen diese Information. Sie können sich bereits frühzeitig auf die Anwesenheit der Nachbarpflanzen einstellen.

Wenn die Wurzeln einer jungen, wachsenden Pflanze einer niedrigen Salzkonzentration ausgesetzt werden, dann kann die Pflanze später in Salzkonzentrationen überleben, die normalerweise tödlich für sie wären. Die Erfahrung der Wurzel wird auf die ganze Pflanze übertragen. Die junge Pflanze lernt, sich an eine Salzlösung anzupassen. Die Pflanze erinnert sich Monate oder Jahre später an diese Erfahrung und kann dadurch in hohen Salzkonzentrationen überleben.

Viele chemische Signalmoleküle zur Zellkommunikation sind bei Pflanzen die gleichen wie bei Tieren. Zu diesen Signalstoffen gehören Peptide, Aminosäuren, Ionen oder Stickstoffoxid. Die internen Signal- oder Kommunikationswege sind bei Pflanzen und Tieren ebenfalls sehr ähnlich.

Beziehungsgefüge zwischen Pflanzen und Tieren

Ein sehr interessantes Beispiel für die enge Verknüpfung zwischen Pflanzen und Tieren sind die Akazienbäume, die z.B. in der Savanne Kenias wachsen. Vier Ameisenarten teilen sich den Wohnraum auf den Akazien. Die Akazien wiederum lassen bestimmte Dornen anschwellen, in denen die Ameisen ihre Nester anlegen können. Darüber hinaus bildet der Baum sogenannte Nektarien aus, spezielle Honigdrüsen, die von den Ameisen als Energiequellen genutzt werden. Als Gegenleistung für diese Versorgung patrouillieren die Ameisen auf der Akazie und schützen sie vor Schädlingen. Offensichtlich spielen auch Giraffen eine wichtige Rolle in dem Zusammenspiel zwischen Akazien und Ameisen. Forscher der University of Florida hatten in einem Dauerexperiment 1700 Akazien durch einen Zaun von Giraffen und anderen Pflanzenfressern abgetrennt. Man hätte zunächst vermuten können, dass dadurch die Bäume ungestört und besser wachsen würden, tatsächlich traten aber ganz andere Effekte auf. Wenn die Giraffen nicht mehr von den Akazien fraßen und sie zurechtstutzen konnten, veränderten die Bäume ihr Wachstumsmuster. Sie bildeten sowohl weniger Dornen als auch weniger Honigdrüsen für die Ameisen. Ohne diese Belohnung stellten die Ameisen wiederum ihre Kontrollgänge auf den Akazien ein, mit der Folge, dass die Bäume stärker von Schädlingen attackiert wurden und deshalb wesentlich langsamer und schlechter wuchsen als zuvor. Außerdem wurden die Akazien von anderen Ameisenarten bewohnt, die nicht verhinderten, dass Borkenkäfer die Stämme durchlöcherten.

Es gibt also eine raffinierte Dreiecksbeziehung zwischen Ameisen, Großtieren und Akazien, die weit über die menschliche Vorstellungswelt hinausgeht.

Abwehrstrategien im Pflanzenreich

Die chemische Ökologie als Fachgebiet beschäftigt sich mit Fragen z.B. nach der Reaktion von Pflanzen auf Schädlinge. Eine Modellpflanze in diesem Forschungsgebiet ist der wilde Tabak. Er steigert die Produktion des Nervengifts Nikotin erst richtig, wenn sich jemand an seinen Blättern vergeht. Es kommt dann zu einer komplexen Signalkaskade, die sich über das gesamte Blatt ausbreitet und zur Produktion von Jasmonsäure führt, die man als Wundhormon bezeichnen kann. Die Jasmonsäure gelangt aus dem angeknabberten Blatt bis in die Wurzel, die daraufhin die Nikotinproduktion steigert. Spätestens dann wird es jedem Angreifer aufgrund der Nikotinvergiftung schwummrig, er lässt ab und sucht sich ein anderes Opfer. Dem Tabakschwärmer macht das Nikotin aber gar nichts aus; er reichert Nikotin sogar im Körper an und wird auf diese Weise für seine eigenen Fressfeinde ungenießbar. Wenn die Tabakpflanze ihren „Erzfeind“ anhand bestimmter Verbindungen aus der Gruppe der Fettsäure-Aminosäure-Konjugate erkennt, fährt sie die Produktion des nun ohnehin nutzlosen Nikotins sogar zurück. Folglich bleiben die sonst durch Nikotin geschützten Raupen des Tabakschwärmers für ihren ärgsten Feind, eine bestimmte Raubwanze, genießbar. Außerdem gibt das Tabakkraut flüchtige organische Substanzen ab, bestimmte Duftstoffe, welche die Raubwanzen zum Ort des Geschehens locken. Der Biologe Martin Heil von der Universität Essen sagt dazu: „Dieses aktive Anlocken der Feinde meiner Feinde scheint in der Pflanzenwelt keineswegs eine Ausnahme, sondern die absolute Regel zu sein. Wo immer man danach sucht, wird man fündig, und das bei Pflanzen aus unterschiedlichen Verwandtschaftskreisen“.

Kartoffelpflanzen, die von Raupen oder Käfern angeknabbert werden, locken selbst aus weiter Entfernung Raubwanzen an. Auch die Limabohne sendet unterschiedliche chemische Signale aus, je nachdem, ob Spinnmilben oder Raupen den Schaden am Blattwerk verursachen. Häufig helfen der Limabohne auch Ameisen, die dafür dann mit einer Zuckerlösung belohnt werden. Diesen Neckar spart sich die Limabohne speziell für solche Krisenzeiten auf. Die Duftwolke einer angefressenen Limabohne versetzt auch ihre benachbarten Artgenossen in Alarmbereitschaft, die dann selber Lockstoffe oder Nektar produzieren. Die Verständigung zwischen Pflanzen funktioniert sogar über Artgrenzen hinweg. Die Duftsignale eines angeknabberten Wüstensalbeis stimulieren z.B. die wilde Tabakpflanze zu einer erhöhten Nikotinproduktion.

Interessant sind folgende Erkenntnisse: Manche Kulturlinien von Pflanzen haben die Fähigkeit zur Kommunikation mit Helfern weitgehend verloren. Wilde Baumwolle setzt siebenmal mehr Duftstoffe frei als ihre domestizierte Verwandtschaft. Der nordamerikanische Mais kann einen bestimmten Signalstoff nicht mehr bilden, der Fadenwürmer anlockt, wenn sich die Larven des Maiswurzelbohrers in seine Wurzeln graben. Dadurch ist der nordamerikanische Mais sehr viel anfälliger. An diesen Beispielen kann man erkennen, dass das Pflanzenreich über ein enormes Kommunikationspotenzial verfügt.

Pflanzenhormone

Genauso wie das Wachstum und die Entwicklung des Menschen von Hormonen gesteuert und bestimmt werden, geschieht das auch bei Pflanzen. Bei den Pflanzen sind es im Wesentlichen fünf Phytohormongruppen, die an der Stoffwechselregulierung beteiligt sind. Ein besonders interessantes Phytohormon ist der gasförmige Kohlenwasserstoff Ethylen. Es wird eigentlich permanent in allen Organen der Pflanze gebildet, es ist fünfmal löslicher als Sauerstoff und kann sich deshalb leicht innerhalb der Pflanze verbreiten. Es wird aber auch passiv durch Diffusion nach außen abgeleitet, wo es dann pheromonartig auf andere Pflanzen einwirken kann.

Ethylen bildet unter den Pflanzen die bisher einzige substantiell fassbare Basisverbindung, mit der sich Pflanzen schnell abzustimmen vermögen. Das Ethylen ist beteiligt an der Beeinflussung von Laub- und Fruchtfall und von Alterungsvorgängen. Interessant ist übrigens die Geschichte seiner Einstufung als Phytohormon. Bereits 1901 wurde erkannt, dass das Ethylen als Bestandteil des Stadtgases, das aus undichten Leitungen entströmte, bei Straßenbäumen vorzeitigen Blattfall auslöste.

Geringe Mengen von eigenproduziertem Ethylen scheinen für die Wahrnehmung des „Erdschwerereizes“ notwendig zu sein. Fehlt das Ethylen, wie z.B. in einer bestimmten Tomatenmutante, so wächst diese nicht mehr in die Höhe, sondern über den Boden hinweg, weil offenbar die Informationsaufnahme des Erdschwerereizes blockiert ist. Vor allem bei der Auslösung des Reifeprozesses von Früchten spielt Ethylen eine große Rolle, wobei durch Ausscheiden von Ethylengas z.B. auch benachbarte Äpfel und Bananen zur Reifung angeregt werden. Bananen und Tomaten werden in den Erzeugerländern in der Regel grün geerntet und während des Transports in Spezialcontainern einer Ethylenbegasung ausgesetzt, damit sie nachreifen. Mit Hilfe von Ethylengas verständigen sich Pflanzen auch über einen Befall durch Schädlinge und veranlassen die Bildung von Abwehrmechanismen.