Anpassungen von Kaktusdornen zur Nebel- und Tauaufnahme

Wasser spielt eine entscheidende Rolle für das Leben auf der Erde. In Regionen mit Wasserknappheit insbesondere in Wüsten haben Pflanzen und Tiere faszinierende Methoden entwickelt, um Wasser zum Überleben zu gewinnen und zu speichern. Besonders interessante Anpassungen an die Wasserknappheit lassen sich bei den Kakteengewächsen beobachten: zu den wichtigsten Merkmalen gehören dicke, wachsartige Oberflächen, die den Pflanzenkörper überziehen, Speicherung von Wasser im Pflanzenkörper und den Wurzeln (sogenannte Sukkulenz), hohe Wassernutzungseffizienz aufgrund eines speziellen Säurestoffwechsels (CAM), oft eine kleine Wuchsform, und die Entwicklung von Stacheln und Haaren anstelle von Blättern. Das wohl charakteristischste Merkmal von Kakteen sind ihre spitzen Stacheln, die im Allgemeinen als Verteidigung gegen Tiere bekannt sind. Interessanterweise haben einige Kakteenarten Stacheln mit der zusätzlichen Funktion Nebel und Tau zu sammeln und so die Wasseraufnahme durch die Wurzeln zu ergänzen. Dabei spielen die Oberflächenbeschaffenheit und die innere Struktur der Stacheln eine entscheidende Rolle und bestimmen die Wechselwirkung mit Wassertröpfchen. Daher ist das Ziel dieses Projekts zu verstehen, wie sich das Stachelgewebe entwickelt und wie die chemische Zusammensetzung zur Nebel- und Tauaufnahme beitragen. Darüber hinaus werden die unterschiedlichen Transportwege von Wasser in verschiedenen Kakteen aus Nebelwüsten und Regionen mit Taubildung systematisch untersucht. Um Einblicke in die Stachelstruktur und Wassertransportmechanismen zu gewinnen, werden verschiedene Techniken aus den Materialwissenschaften, der Botanik und der Pflanzenphysiologie eingesetzt. In einem breiteren Kontext sind pflanzliche Oberflächen sowohl für unser Verständnis der Natur interessant, als auch für technische Anwendungen, da pflanzliche Oberflächen ein breites Spektrum an Funktionen und Eigenschaften (selbstreinigend, hydrophil, hydrophob etc.) zeigen. Diese Vielfalt wurde in der Vergangenheit oft als Bio-Inspiration für technische Anwendungen herangezogen und bietet auch in Zukunft großes Potential.

Wasser spielt eine entscheidende Rolle für das Leben auf der Erde. In wasserarmen Regionen - wie Wüsten - haben Pflanzen und Tiere faszinierende Strategien entwickelt, um Wasser zu gewinnen und zu speichern. Besonders interessante Anpassungen an Wasserknappheit lassen sich bei Kakteen beobachten: Zu den wichtigsten Merkmalen gehören dicke, wachsartige Oberflächen, die den Pflanzenkörper bedecken und die Wasserspeicherung in Stängeln und Wurzeln ermöglichen (Sukkulenz), eine hohe Wassernutzungseffizienz dank eines speziellen Säurestoffwechsels (CAM), oft eine kleine Wuchsform und die Entwicklung von Stacheln und Haaren anstelle herkömmlicher Blätter. Letzteres ist wohl das charakteristischste Merkmal von Kakteen: Fast jeder weiß, wie spitz und scharf Kaktusstacheln sein können. Daher sind sie allgemein als Abwehrmechanismus gegen Tiere bekannt. Dies trifft jedoch nicht unbedingt auf alle Kakteen zu, da einige Kakteen poröse und flexible Stacheln entwickeln. Aufgrund ihrer porösen Struktur wurde allgemein angenommen, dass poröse Stacheln Nebelwasser direkt kapillar aufsaugen. In diesem Projekt konnten wir jedoch zeigen, dass (am Beispiel von Turbinicarpus alonsoi) wasserundurchlässiges Gewebe an der Stachelbasis den direkten Wassertransport in das lebende Pflanzengewebe verhindert. Stattdessen ist ein zweifacher Prozess für die erhöhte Nebelwasseraufnahme verantwortlich: Zunächst nehmen die gekrümmten Stacheln Nebelwasser auf, wodurch sie anschwellen und sich begradigen. Anschließend bildet sich ein dünner Flüssigkeitsfilm auf dem Stachel, wodurch Wasser über die Pflanzenoberfläche zu den Wurzeln abläuft. Unsere Arbeit beschreibt erstmals die Hygromorphie in Kaktusstacheln und erklärt, wie sie die Fähigkeit von Kakteen zur Nebelwasseraufnahme erhöht. Für diesen Prozess spielen die Oberflächeneigenschaften und die Geometrie der Stacheln eine entscheidende Rolle. Diese Erkenntnisse sind hochinteressant für die Entwicklung von bio-inspirierten, formveränderlichen Materialien und Nebelerntevorrichtungen, was ein großes Potenzial für technologische Anwendungen bietet.