Wie empfindlich? Venusfliegenfalle verwandelt Berührung in elektrischen Strom

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Minimale Verbiegung löst elektrische Reizung aus

Wie kann man Ameisen dazu bewegen, auf Befehl gegen ein Sinneshaar zu stoßen? Zur Lösung dieses Problems setzte der Ameisenkenner Federle auf Blattschneideameisen. Diese Ameisenart pendelt regelmäßig zwischen der Blattsammelstelle und dem Nest. Im Experiment führte Federle die Tiere auf ihrem Heimweg über eine Brücke, auf der das letzte Teilstück durch eine Fliegenfallenhälfte ersetzt wurde. Den Ameisenverkehr über die Fliegenfallenbrücke überwachte er mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, die alle Zusammenstöße festhielt. Das Ergebnis: Federles Auswertung ergab eine minimale und maximale Sinneshaarauslenkung von 3,5 und 7,5 Grad.

Um nun den Biegewinkel und die Kraft zu bestimmen, die nötig ist, um bei der Venusfliegenfalle ein Aktionspotential auszulösen, haben die Wissenschaftler die Ameisen gegen computergesteuerte Mikromanipulatoren mit speziellen Kraftaufnehmern eingetauscht. Nachdem die Mikromanipulatoren auf dem Sinneshaar aufsetzten, wurde schrittweise der Abknickwinkel verändert.

„Zu unserer Überraschung zeichneten unsere Spannungsdetektoren schon bei einer Auslenkung um 2,9 Grad ein Aktionspotential auf“, so Dr. Sönke Scherzer, Erstautor der Arbeit und wissenschaftliche Mitarbeiter an Hedrichs Lehrstuhl. Das bedeute, dass schon der schwächste Zusammenstoß mit der Blattschneideameise von der Fliegenfalle bemerkt wird.

Eine Falle für jede Fliegengröße

Eine Ameise oder Stubenfliege bringt beim Laufen eine Kraft auf, die in etwa ihrem Körpergewicht entspricht. Eine Fliege mit einem Gewicht von zehn Milligramm schafft demnach 100 Mikro-Newton, eine Kraft, die gut ausreicht, eine große Falle elektrisch zu erregen. Verirrt sich aber beispielsweise ein Moskito, der nicht mehr als drei Milligramm wiegt, in solch eine große Falle, verbiegen sich die Sinneshaare nicht.

Weil aber auch ein Moskito eine wichtige Nahrungsquelle sein kann, hat die Venusfliegenfalle im Laufe der Evolution auch kleinere Fallen entwickelt. Dort reagieren die Sinneshaare auch auf den Druck eines Moskitogewichts. „Diese fallengrößenabhängige Berührungsempfindlichkeit der Sinneshaare ist für die Wirtschaftlichkeit der Fallen wichtig“, erklärt Rainer Hedrich. Schließlich kostet es die Pflanze deutlich mehr Energie, eine große Falle wieder zu öffnen als eine kleine. „Wenn selbst untergewichtige, nährstoffarme Beutetiere den Verschluss großer Fallen auslösen könnten, fiele die Kosten-Nutzen-Bilanz negativ aus und die Venusfliegenfalle würde im Extremfall langsam verhungern“, so Hedrich.

Wie oft kann ein Sinneshaar stimuliert werden bis es ermüdet?

Wenn die Falle geschlossen ist, ergeben sich die Beutetiere in der Regel nicht ihrem Schicksal. Stattdessen versuchen sie auszubrechen. In ihrer Panik berühren sie dabei fortwährend die Sinneshaare und lösen so bis zu 100 Aktionspotentiale innerhalb von zwei Stunden aus. Diese elektrischen Signale verrechnet die Fliegenfalle und setzt eine der Anzahl entsprechende Reaktion in Gang, die von der Herstellung und dem Ausschütten eines Verdauungssekret bis zur Aufnahme der Nahrungsbestandeile aus dem zersetzten Tierischen reicht, erklärt Hedrich.

Die Frage, wie oft in einer Stunde ein einzelnes Sinneshaar stimuliert werden kann, haben die Wissenschaftler in einem weiteren Experiment untersucht. Das Ergebnis: „Ab einer Frequenz von einem Zehntel Hertz, also einer Stimulation alle zehn Sekunden, stellen sich beim Sinneshaar Ermüdungserscheinungen ein“, sagt Sönke Scherzer. Bei noch höheren Frequenzen löste nicht mehr jede Berührung ein Aktionspotential aus, und schließlich blieben die elektrischen Ereignisse völlig aus. Unterbrachen die Forscher die wiederholte Stimulationsfolge für eine Minute, erlangte das Haar seine mechano-elektrischen Eigenschaften wieder vollständig.

Die sensorischen Zellen unter der Lupe

In einem nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler nun herausfinden, wie die Fliegenfalle zählt und was der Grund für die Aussetzer des Sinneshaars bei hochfrequenter Beanspruchung ist. Dazu werden sie Sinneshaare und Sinneszellen isolieren und eine Reihe von Eigenschaften bestimmen, wie beispielsweise die Ermüdung und Erholung der Ionenkanäle, die Berührung in ein elektrisches Ereignis umsetzen.

Originalpublikation:S. Scherzer, W. Federle, K. A. S. Al-Rasheid and R. Hedrich: Venus flytrap trigger hairs are micronewton mechano-sensors that can detect small insect prey, Nature Plants, DOI: 10.1038/s41477-019-0465-1. https://www.nature.com/articles/s41477-019-0465-1

* G. Bartsch: Universität Würzburg, 97070 Würzburg

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