Darwin als Botaniker

Inspirationen auch für die Bionik

von Prof. Dr. Thomas Speck

Prof. Dr. Thomas Speck,
Botanischer Garten der Universität Freiburg, Kompetenznetze Biomimetik und BIOKON e.V.

Wenn man mit offenen Augen durch die Tieflandregenwälder Französisch Guyanas oder die Buchenwälder Rügens geht, fällt einem immer wieder auf, in welch hervorragender und teilweise auch überraschender Weise Pflanzen und Tiere durch die während der Evolution ablaufenden Prozesse der Mutation, Rekombination und Selektion an die jeweils herrschenden Umweltbedingungen angepasst sind. Das vor 150 Jahren von Charles Darwin in seinem epochalen Werk „On the origin of species by means of natural selection“ vorgelegte Erklärungskonzept, das in der Folge zur synthetischen Evolutionstheorie vervollständigt wurde, erlaubt es, den Ablauf der der Evolution zu Grunde liegenden Gesetzmäßigkeiten zu verstehen.

Für mich als interdisziplinär arbeitenden Botaniker und Bioniker wird erst durch Darwins Überlegungen ein quantitativer Zugang zum Verständnis der Entstehung der komplexen Form-Struktur-Funktions-Zusammenhänge im Laufe der fast 4 Milliarden Jahre biologischer Evolution möglich. Spannend ist hier vor allem die Tatsache, dass die in der Evolution durch nicht zielgerichtete Prozesse entstandenen biologischen Strukturen dennoch im Rahmen der Selektion hochgradig und meist multifunktional adaptiert und optimiert sind. Hierdurch kamen hoch effiziente Lösungen zu Stande, die auch für eine Übertragung in technische Anwendungen, wie sie die Bionik anstrebt, vielfältige Möglichkeiten eröffnen. Gerade die Multifunktionalität, d.h. die Tatsache, dass eine Struktur bzw. ein Organ verschiedene Funktionen ausüben muss, und die Gegebenheit, dass die Evolution stets auf Bestehendem aufbaut und somit evolutive Veränderungen immer von vorhandenen Vorläuferstrukturen ausgehen, führt zu nicht selten überraschenden, stets aber hochgradig funktionsfähigen Ergebnissen. Sie können vollkommen neue Lösungsansätze für die Entwicklung bionisch-technischer Produkte und Verfahren liefern. Wir beschäftigen uns in der Plant Biomechanics Group mit der evolutiven Entstehung und quantitativen Analyse komplexer Strukturen und Funktionen von Pflanzen und mit der Übertragung unserer Entdeckungen auf innovative bionisch-technische Produkte. Im Rahmen unserer Forschungsprojekte stießen wir immer wieder auf Arbeiten von Charles Darwin, der sich in seinen letzten Lebensjahrzehnten intensiv mit verschiedenen, auch heute noch aktuellen botanischen Fragestellungen beschäftigt hat. Seine Beobachtungsgabe, sein Geschick bei experimentellen Untersuchungen und seine klare Analyse komplexer Struktur-Funktions-Zusammenhänge sind auch aus heutiger Sicht beindruckend.

Pflanzliche Wuchsformen und bionische Faserverbünde

Den ersten intensiven Kontakt mit den botanischen Arbeiten von Charles Darwin hatte ich während der Untersuchung der Evolution pflanzlicher Wuchsformen. Ziel dieser Arbeiten war es, zu verstehen, wie sich selbsttragende Bäume und Sträucher von halb-selbsttragenden Spreizklimmern und nicht selbsttragenden Lianen unterscheiden und sich im Laufe der Erdgeschichte evolviert haben. Hierbei erwiesen sich die von Charles Darwin 1875 bzw. 1880 veröffentlichten Bücher „The movement and habits of climbing plants“ und „The power of movements in plants“ als hochinteressante Anregung. Dies gilt vor allem für die Untersuchung nicht selbsttragender Pflanzen, die vielfach unabhängig in der Evolution entstanden sind. Unsere Untersuchungen zeigten, dass Lia nen steife Jugendtriebe besitzen, die es den Pflanzen erlauben, den Abstand zu neuen Verankerungsstrukturen zu überbrücken. Nach der durch windende Stämme, Ranken, Haken oder Haftwurzeln erfolgten Verankerung an einer Trägerstruktur kommt es im Zuge der Individualentwicklung zu tiefgreifenden Veränderungen der Stammstruktur. Dies führt dazu, dass alte Lianenachsen extrem biege- und torsionsflexibel sind und so den Bewegungen der Trägerbäume passiv nachgeben können.

Bei selbsttragenden Bäumen hingegen sind die jungen Zweige biegeflexibel, wodurch sich bei Wind die Segelfläche der Krone verringert und die Windbiegekraft drastisch reduziert wird. Im Zuge des sekundären Dickenwachstums bilden sich dann zunehmend biegesteife Äste und Stämme aus, die es den älteren Teilen des Baums erlauben, hohe mechanische Lasten zu tolerieren. Bei Spreizklimmern, die sich in der umgebenden Vegetation „auflehnen“, bleiben Stammstruktur und mechanische Eigenschaften während des gesamten Lebenszyklus weitgehend konstant. Untersuchungen an Bambus und Pfahlrohr, die sich bei hoher mechanischer Stabilität durch extremen Leichtbau auszeichnen, und den mit geringstem Materialaufwand stabilisierten Schachtelhalmen führten in Zusammenarbeit mit dem ITV Denkendorf zur Entwicklung und Patentierung des „Technischen Pflanzenhalms“. In diesem bionischen Leichtbau-Faserverbundmaterial sind Faseranordnung, Faserverteilung und der Faser-Matrix-Übergang nach dem Vorbild von Bambusund Pfahlrohrhalmen optimiert.

Zudem wurden – inspiriert durch den Winterschachtelhalm – in die Wände des „Technischen Pflanzenhalms“ Funktionskanäle eingebracht. In diesen können Versorgungs-, Sensor- oder Steuerleitungen verlegt werden, wodurch dieses bionische Produkt zumindest teilweise die Multifunktionalität der biologischen Vorbilder gewinnt. In aktuellen Forschungsprojekten wird die Struktur der Verzweigungsstellen von Drachenbäumen und baumförmigen Kakteen analysiert, die als Ideengeber für die Entwicklung verzweigter bionischer Faserverbundmaterialien dienen können.

Selbstreparierende bionische Beschichtungen

Die Beschäftigung mit den auch von Darwin intensiv studierten Lianen hat darüber hinaus zu weiteren bionischen Entwicklungen geführt. Die durch das Dickenwachstum bei holzigen Lianen ausgelösten Veränderungen der Stammstruktur führen unter anderem dazu, dass es bei einigen Arten – wie der zur Gattung Aristolochia gehörenden Pfeifenwinde – zu Spannungsrissen in einem unter der Rinde liegenden verholzten Festigungszylinder kommt. Wenn sich diese Risse bis an die Stammoberfläche ausbreiten würden, wären sie ideale Eingangspforten für Pilzsporen und Bakterien. Eine solche Rissausbreitung wird dadurch verhindert, dass diese Pflanzen im Laufe der Evolution ein Reparatursystem entwickelt haben, das die inneren Risse höchst effizient verschließt. Hierbei quellen zunächst die unter Innendruck (Turgor) stehenden Zellen der äußeren Rinde in die Risse und versiegeln diese. Später beginnen sich die Reparaturzellen zu teilen, wodurch die Risse, die sich durch das Dickenwachstum vergrößern, stets geschlossen bleiben. In Zusammenarbeit mit der Firma prospective concepts und der EMPA Dübendorf gelang es, diesen Selbstreparatureffekt auf technische Schäume zu übertragen und zu patentieren. Diese selbstreparierende bionische Schaumbeschichtung kann bei pneumatischen, d.h. durch Luftdruck stabilisierten Strukturen, den Luftaustritt bei Löchern von bis zu 5 mm um mehr als 3 Größenordnungen verlangsamen.

Neuartige bionische Haftsysteme

Zwei weitere, ebenfalls von Kletterpflanzen und den bereits von Darwin beschriebenen Bewegungen und Anhaftungsvorgängen inspirierte Projekte beschäftigen sich mit der Analyse permanenter Haftstrukturen von Wildem Wein und Efeu. Ziel ist es, ausgehend von diesen hochfesten, die Oberflächenstrukturen des Haftsubstrats in exzellenter Weise nutzenden Haftorganen, neuartige bionische Haftstrukturen zu entwickeln. In diesen Kooperationsprojekten werden der hierarchische Aufbau der Haftpads und Ranken des Wilden Weins sowie der Haftwurzeln des Efeus von der Makro- bis zur Nanoebene quantitativ untersucht und der chemische Aufbau der Klebesubstanzen analysiert. Ziel ist die Entwicklung eines neuartigen, hochfesten Klebesystems mit Methoden der molekularen Bionik.

Bionische Kabeleinführungen

Auch bei der in Zusammenarbeit mit der Firma Rittal durchgeführten Entwicklung bionischer Kabeldurchführungen, die den schnellen Austausch von mit Steckern versehenen Kabeln in Schaltschänken erlauben und gleichzeitig den Zutritt von Wasser und Staub in den Schaltschrank verhindern, kamen wir in Kontakt mit einem weiteren botanischen Werk Darwins. In seinem 1875 erschienen Buch „Insectivorous Plants“ konnte Darwin die Existenz fleischfressender Pflanzen nachweisen und beschrieb die Fangstrategien verschiedener fleischfressender Pflanzen. Bei der Venusfliegenfalle klappen – ausgelöst durch die Berührung eines Beuteinsekts – die beiden Hälften des Fangblatts von einer in die andere stabile Konfiguration und das Blatt umschließt die Beute. Die bistabilen Fangblätter waren ein Vorbild für die Entwicklung einer auf einem doppelten Klappmechanismus beruhenden bionischen Kabeldurchführung. Obwohl sich Charles Darwin selbst nie als Botaniker betrachtete, kann man sich aufgrund der Vielzahl seiner bahnbrechenden botanischen Entdeckungen nur der Aussage von Heslop-Harrison anschließen, der 1959 schrieb: „Yet were origin and the works preceding it eliminated from his achievement, Darwin would remain one of the most outstanding biologists of the 19th century, on the credit of his botanical work alone …”

>> Die hier vorgestellten Projekte der Plant Biomechanics Group Freiburg wurden im Rahmen verschiedener Förder- und Stipendienprogramme des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), des Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg (MWK-BW), der Landesstiftung Baden-Württemberg, der Deutschen Bundesstiftung Umwelt und EUInterreg gefördert, denen hier gedankt sein soll.

Buchtipp: Darwins Garten - Evolution Entdecken

Weiterführende Literatur
Bionik, Biomechanik und Funktionsmorphologie
M. Milwich, T. Speck, O. Speck, T. Stegmaier & H. Planck
(2006) Biomimetics and technical textiles: solving engineering
problems with the help of nature’s wisdom. American
Journal of Botany 93: 1295-1305.
M. Rüggeberg, I. Burgert & T. Speck (2009) Structural and
mechanical design of tissue interfaces in the Giant Reed
Arundo donax. The Royal Society Journal Interface,
doi.1098/rsif.2009.0273.
T. Speck, R. Luchsinger, S. Busch, M. Rüggeberg & O. Speck
(2006) Self-healing processes in nature and engineering:
self-repairing biomimetic membranes for pneumatic structures.
In: Brebbia, C.A. (ed.) Design and Nature III, 105-
114. WIT Press, Southampton.
T. Speck & O. Speck (2008) Process sequences in biomimetic
research. In: Brebbia, C.A. (ed.) Design and Nature IV,
3-11. WIT Press, Southampton.
T. Steinbrecher, E. Danninger, D. Harder, T. Speck, O. Kraft
& R. Schwaiger (2009) Quantifying the attachment strength
of climbing plants: a new approach. Acta Biomaterialia,
doi:10.1016/j.actbio.2009.10.003.
Darwin und die Botanik
J. Heslop-Harrison (1958) Darwin as a Botanist. In Barnett,
S.A. (ed.) A Century of Darwin. Heinemann, London.
S. Schneckenburger & R. Omlor (eds.) (2009) Darwins Garten
– Evolution entdecken, Selbstverlag VBG, Darmstadt &
Mainz.