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Für Charles Darwin war es durchaus vorstellbar, dass auch Pflanzen einen Verstand besitzen, denn beim Wachsen der Wurzeln etwa ließen sie sich „von etwas gleich dem Gehirn niederer Tiere“ leiten. Darwin experimentierte mit Pflanzen und bemerkte etwa, dass sie auf Reize an einer Stelle ihres Körpers auf einer ganz anderen Stelle reagieren, dass sie also Information durch Nervenbahnen übertragen können. Ihm fiel auch auf, dass sich etwa der Sonnentau extrem rasch bewegen kann, wenn er mit seinen Tentakeln Beute macht, die Signale müssen blitzschnell laufen, eben wie in Nerven. Auch Alexander von Humboldt hatte bemerkt, dass sich in Pflanzen elektrische Erregungen fortpflanzen und vermutete ein gemeinsames bioelektrisches Prinzip bei Flora und Fauna, auch wenn diese kein peripheres oder zentrales Nervensystem wie Tiere besitzen. Schließlich bahnen sich Wurzeln ihren Weg mit Bedacht, sie weichen anderen Wurzeln aus, verletzte Pflanzen senden Duftstoffe zur Abwehr der Attacken aus, wobei diese Duftstoffe von anderen Pflanzen anscheinend als Signale wahrgenommen und interpretiert werden. Obwohl Pflanzen nach gängiger Lesart kein Gehirn und keine Nerven besitzen und demnach gar nicht denken können, merken sie sich etwa vergangene Kälteperioden und richten ihren Blühzeitpunkt danach, wobei die fleischfressende Venusfliegenfalle sogar zählen und sich das Ergebnis merken kann.

Haben Pflanzen ein Gehirn?

Forscher aus Florenz und Bonn haben hirnähnliche Funktionen in Pflanzenwurzeln entdeckt, wobei die zellbiologischen Strukturen ähnlich aussehen wie Zellen im Gehirn von Tieren. Eine Zellschicht oberhalb der Wurzelspitze weist ähnliche Eigenschaften auf wie ein tierisches Gehirn und dort herrsche große Aktivität, obwohl die Zellen weder wachsen noch andere besondere Leistungen zeigen. Sie transportieren winzige Bläschen (Vesikel), gefüllt mit Substanzen, hin und her. Dünne Fäden aus Eiweiß (Aktinfilamente) ziehen die Transportvesikel durch die Zellen. Das sind die gleichen Eiweißfäden aus dem Zellskelett, die für Muskelbewegungen im Tierreich und beim Menschen zuständig sind. Einige Strukturen erinnern an Synapsen, wobei dort Informationen verarbeitet werden, was sich direkt auf das Verhalten der Wurzel auswirkt. Die Wurzelspitze registriert zum Beispiel Licht oder einen Giftstoff. Die Information wird in die Region hinter der Wurzelspitze geleitet. Hier wird sie registriert und weiter geleitet in die Wachstumszonen der Wurzel. Jetzt weiß die Wurzel, in welche Richtung sie wachsen soll und reagiert innerhalb weniger Stunden. Diese Arbeitsweise unterscheidet sich kaum von einem Gehirn in der Tierwelt und ist so etwas Ähnliches wie ein Nervensystem, denn es hat die gleichen Aufgaben, ist aber ganz anders aufgebaut. Manche Forscher sind skeptischer und wollen von einem botanischen Nervensystem oder von pflanzlicher Neurobiologie lieber nicht reden, auch wenn fest steht, dass Pflanzen elektrische Signale benutzen, um auf die Außenwelt zu reagieren, denn nur so hat die Pflanze die Möglichkeit, auf Feinde zu reagieren wie auf Blattläuse oder Raupen. Fügt man etwa einem Bohnenblatt mit einer Rasierklinge eine Verletzung zu, schon strömen elektrische Impulse von Blatt zu Blatt. Diese Signale ermöglichen der Pflanze eine Abwehrreaktion, wobei die Geschwindigkeit dieser Signale mit 1 cm/Sekunde sehr gering ist.

Shimizu et al. (2010) konnten zeigen, dass ein für die Blütezeit verantwortliches Gen als Gedächtnis fungiert. Dieses Gen registriert die Temperatur der letzten sechs Wochen und beeinflusst die pflanzliche Entwicklung dementsprechend. Viele Pflanzen blühen im Frühjahr, da sie die längere Kälteperiode des vorangegangenen Winters erkennen können, wobei die Pflanzen unempfindlich gegenüber kurzfristig schwankenden Temperaturen sein müssen, wie sie auf Grund des Tag-Nacht-Rhythmus oder von Wetterveränderungen über mehrere Tage respektive Wochen hin auftreten können. Diese Temperaturschwankungen laufen oft dem saisonalen Trend entgegen und müssen von der Pflanze als solche erkannt werden. Ohne ein Langzeitgedächtnis für vorangegangene Temperaturen wäre es für Pflanzen sehr schwierig, die richtige Saison für die Blüte zu erkennen. Forschungsobjekte waren Pflanzen der Spezies Arabidopsis halleri (Hallersche Schaumkresse), die sich vom Tiefland bis hin zu alpinen Regionen in Europa und Ostasien ausgebreitet hat. Messungen ergabennun , dass das Gen Informationen über die Temperaturentwicklung der letzten sechs Wochen gespeichert hat, denn das Blühverhalten konnte zu einem Großteil (83 Prozent) durch die Temperaturen der vorangegangenen sechs Wochen erkläret werden, nicht aber durch die Temperaturen über längere oder kürzere Zeiträume.

Neuere Untersuchungen von Sohini Chakrabortee vom Whitehead Institute for Medical Research in Cambridge zeigen, dass Prionen die Basis molekularer Erinnerungen bei Pflanzen bilden könnten, denn man hat erstmals entdeckt, dass sich bestimmte Pflanzenproteine in Prionen umwandeln können. Diese Moleküle können nicht nur Informationen speichern und übertragen, sie beeinflussen auch Anlagerungen im Erbgut und könnten so die Basis des Pflanzengedächtnisses bilden. Für ihre Studie fahndeten die Wissenschaftler gezielt nach Proteinen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, die prionenähnliche Abschnitte besitzen, und bei mehr als 500 Proteinen wurden sie fündig. Auffallend war, dass vier von acht Proteinen im autonomen Blüh-Signalweg solche Priondomänen enthielten, wobei dieser Signalweg den Blühzeitpunkt kontrolliert. Um herauszufinden, ob diese Priondomänen dazu fähig sind, echte Prionen zu produzieren und ihre Faltung auch auf andere Proteine zu übertragen, setzten die Forscher diese pflanzlichen Proteinabschnitte in Hefen ein, denn an ein bestimmtes Hefe-Protein gekoppelt, müsste das aktive Pflanzenprion dafür sorgen, dass die Hefe trotz einer fehlenden Substanz im Nährmedium weißliche Kolonien bildet und das über mehrere Generationen hinweg. Ist das Protein kein echtes Prion, bleiben die Hefekolonien dagegen rot. Mit einem der eingeschleusten Pflanzenproteine wuchsen tatsächlich weiße Hefekolonien auf dem Testmedium, wobei das aus der Ackerschmalwand stammende Protein Luminidependens echte Prionen gebildet hatte, die die Wachstumseigenschaften der Hefe beeinflussten.

Michal Gruntman und Katja Tielbörger (Universität Tübingen, Vegetationsökologie) arbeiten aktuell am Forschungsprojekt „Pawlow’sche Pflanzen“ und untersuchen darin etwa, ob sich eine Pflanze, wenn sie täglich um vier Uhr gegossen wird, irgendwann beginnt, sich darauf vorzubereiten. Ein Beispiel für eine lernfähige Pflanze ist etwa die Mimose, deren Blätter sich bei Berühung aufstellen, und irgendwann jedoch, wenn wiederholt keine Nahrung auftaucht, sie den Reiz ignoriert. Kann man also die Mimose, die Ackerschmalwand und die fleischfressende Venusfliegenfalle dazu bringen, auf eingeübte Signale zu reagieren? Möglicherweise unterscheiden sich Pflanzen und Tiere gar nicht so sehr bzw. es scheint möglich, dass sich die Unterschiede etwas verwischen, denn Pflanzen können ihre eigene Nahrung zubereiten, indem die Photosynthese den Pflanzen ermöglicht, mit Hilfe von Sonnenenergie Kohlenhydrate zu erzeugen, etwas, was Tiere nicht können. Pflanzen besitzen jedoch kein zentrales Nervensystem, mit dem sie alle Teile ihres Organismus steuern können, was diese aber mit speziellen Botenstoffen wie etwa Hormonen ausgleichen, die für eine Verbindung der Teile der Pflanze sorgen und diese somit theoretisch ein bisschen mehr zum Tier machen.

Sind Pflanzen intelligent?

Pflanzen sind sehr anpassungsfähig und stehen in einem permanenten Austausch mit der Umwelt. Sie leben in einem dynamischen Netz von Beziehungen und Wechselwirkungen, die sie weit mehr beeinflussen können als etwa Tiere. Pflanzen können ihre Umgebung direkt über Duft strukturieren, da diese Duftstoffe Wirkstoffe sind, die etwa das Keimen oder das Wachstum anderer Pflanzen behindern oder auch stimulieren können, sodass letztendlich eine Pflanze sogar kontrollieren kann, wer da in ihrer Umgebung wächst. Forschungen aus der Zell- und Molekularbiologie der letzten paar Jahre zeigen, dass Pflanzen miteinander kommunizieren, und zwar sehr differenziert, etwa indem sie die Duftstoffzeichen, die sie empfangen zuerst erkennen, dann interpretieren und dann darauf antworten und reagieren. Düfte kann man daher im Grunde genommen als eine Sprache auf Molekülebene bezeichnen. Pflanzen, wenn sie von Insekten oder von Mikroorganismen befallen werden, beginnen, eine gewisse Folge von Duftsignalen auszusenden. Je nach Art der Verletzung synthetisieren manche Pflanzen unterschiedliche Duftstoffe, also auf Insektenbefall antwortet sie deutlich anders als auf eine zufällige mechanische Verletzung. Auch die Art des Schädlings wissen manche Pflanzen zu unterscheiden, denn wird der Wilde Tabak von Käfern oder Raupen angegriffen, steigert er seine Nikotinproduktion (Nikotin ist für Insekten ein Nervengift), während die Raupe des Tabakschwärmers, dieselbst resistent gegen Nikotin ist und es im Körper speichert, um selbst ungenießbar zu werden, schaltet die Pflanze plötzlich um auf indirekte Verteidigung, indem sie einen Duftstoff produziert, der die Fressfeinde der Tabakschwärmerraupe anlockt und gleichzeitig die Nikotinproduktion drosselt, wodurch die Raupen für die Fressfeinde genießbar werden. Intelligente Leistungen sind somit nicht notwendig an die Existenz eines Gehirns gebunden.

Die Ragwurz imitiert den Sexuallockstoff von weiblichen Bienen und zieht dadurch männliche Bienen an, wobei diese versuchen, mit der Blüte, die ähnlich wie ein Bienenflügel schillert, zu kopulieren. Dabei bleiben die Pollen am Körper des Bienenmännchens hängen, und wenn das Insekt dann zur nächsten Ragwurz-Blüte fliegt, liefert es die Pollen zur Befruchtung ab. Die Ragwurz berücksichtigt dabei, dass jedes Bienenweibchen einen individuellen Geruch hat, und mischt die Duftkomponente ihrer Blüten so unterschiedlich, sodass sich ihr Geruch wie jener der Bienenweibchen leicht unterscheidet.

Auch die Berberitzen haben ein Problem, das sie mit "Weitsicht" lösen müssen, denn deren Früchte können von Fruchtfliegen befallen werden, deren Larven sich in den Samenkörnern einnisten, von denen es in jeder Frucht entweder einen oder zwei gibt. Sind es zwei, wirft die Berberitze häufig den befallenen Samen ab, um den noch nicht befallenen Samen zu retten, denn am abgeworfenen verendet die Fruchtfliegenlarve. Ist jedoch nur ein Samenkorn in der Frucht, gibt sie ihn verloren und wendet keine Energie für das Abwerfen auf.

Der Baum Glochidion lanceolarium, eine Platanenart, produziert des Nachts einen Geruchsstoff, den manche Motten unwiderstehlich finden, d. h., die Weibchen fliegen von Blüte zu Blüte und bestäuben diese. Danach legen diese Motten ihre Eier in in die Blüte und wenn einige Monate später die Larve schlüpft, hat sich die Blüte längst zu einer Frucht entwickelt, deren Hülle das Tier zwar schützt und mit Nahrung in Form eines ihrer Samen versorgt, aus der die Motte aber nicht entkommen kann, selbst dann nicht, wenn sie vollständig entwickelt ist und Flügel hat. Die Motten verbringen daher fast ihr ganzes Leben im Inneren der Pflanze, d. h., der Baum hält die Tiere so lange gefangen, bis er erneut blüht und erst dann werden seine Früchte reif, brechen auf und lassen die Motten wieder frei, sodass der Kreislauf erneut beginnen kann.

Der Aronstab Helicidiceros muscivorus imitiert den Geruch von faulendem Fleisch und lockt damit weibliche Fleischfliegen an, die ihre Eier vorzugsweise in Tierkadaver legen. Wenn die Fliegenweibchen in den Kelch der Blüte gekrabbelt sind, sitzen sie in der Falle. Zwangsläufig bestäuben die Tiere dann die weiblichen Blüten am Grund des Kelchs mit Pollen von Blüten, die sie zuvor besucht haben. Um eine Selbstbestäubung zu vermeiden, reifen die männlichen Blüten erst einige Stunden später. Die Pflanze hält die Fliegen so lange gefangen, bis ihre männlichen Blüten genügend Pollen produziert haben und die Fliegen über und über damit eingepudert sind. Nach etwa 24 Stunden gibt der Aronstab den Ausgang frei und die Fliegen tragen ihre Pollen weiter.

Wächst ein Baum etwa mit viel Wasser auf, ist er einer plötzlich auftretenden Trockenheit hilflos ausgeliefert und stirbt schneller daran als Bäume, die karger aufgewachsen waren und daher keinen Überfluss erwarten und somit robuster sind. In einem natürlich gewachsenen Wald – im Gegensatz zu einer Plantage – verbinden sich die Baumindividuen unterirdisch durch ein riesiges Geflecht von Pilzen, die das Wasser verteilen, Nährstoffe weiterleiten oder Schwermetalle ausfiltern. Die Bäume kommunizieren aber auch über ihr Wurzel- und Laubwerk und reagieren mit veränderten Duftstoffen, so blühen und fruchten Eichen und Buchen nur alle fünf bis sieben Jahre und sie stimmen einander ab, wann das geschehen soll. Vor allem Buchen bilden so eine Art Familie, wobei die dichte Laubkrone der Mutterbuche ihre Kinder über Jahrzehnte hinweg durch Lichtdrosselung schützt, sodass sie langsamer wachsen, denn dieses langsame Wachstum ist eine Voraussetzung für das Erreichen eines hohen Alters. Über die Wurzeln aber versorgen die Mutterbuchen ihren Nachwuchs mit Zucker und anderen Nährstoffen, wobei noch eine Schutzfunktion hinzukommt, denn ohne Licht bleiben die Knospen der Jungbuchen bitter, was verhindert, dass sie von Rehen und Hirschen gefressen werden. Wenn der Mutterbaum stirbt und fällt, stellt sich der Stoffwechsel der Jungbuchen auf Licht um, das Höhenwachstum setzt ein, und die Knospen werden zuckerhaltiger.

Stress-Gedächtnis von Pflanzen

Nach neueren Studien haben Pflanzen eine Möglichkeit entwickelt, sich an früheren Stress zu erinnern, etwa an sehr hohe Salzwerte, wodurch kommende Pflanzengenerationen deutlich widerstandsfähiger werden. Dabei wird das "Stress-Gedächtnis" epigenetisch in bestimmte Bereiche der Pflanzen-DNA einprogrammiert, wobei dabei nach neueren Untersuchungen chemische Veränderungen der Cytosin-Methylierung entscheidend sind. Die nun gemachte Entdeckung des Mechanismus, durch den Pflanzen in der Lage sind, sich an frühere Belastungen zu erinnern und sich entsprechend selbst zu optimieren, könnte die Züchtung von resistenteren Pflanzen ermöglichen. Es zeigte sich auch, dass die Erinnerung der Pflanzen bei einem Mangel an Stress wieder weniger stark wird, d. h., sie "verlernen" wieder die Anpassung an die widrigen Umstände. Zusätzlich konnte man nachweisen, dass das Stress-Gedächtnis durch Mutationen bei Genen, die für das Rücksetzen der DNA-Methylierung verantwortlich sind, festgelegt werden kann. Bisher war der Umfang des Stress-Gedächtnisses bei Pflanzen unbekannt.

Forscher des Gregor Mendel Instituts für Molekulare Pflanzenbiologie haben auch herausgefunden, dass bei Pflanzen kurz vor Zellteilung eine Art epigenetisches Gedächtnis wiederhergestellt wird. Manche Pflanzen müssen bekanntlich eine Kälteperiode überstanden haben damit sie im Frühling blühen können, wobei sich die Frage stellt, wie Pflanzen es bemerken, dass sie den Winter hinter sich haben. Bei Kälte wird eine Variante des DNA-Verpackungsmaterials gebildet, das H3K27me3, das über den Winter hinweg ein Gen ausschaltet, dass normalerweise die Blütenbildung hemmt, wodurch sind die Pflanzen in der Lage sind sofort zu blühen, sobald es im Frühling wärmer wird. Durch Zellteilung wird das Niveau von H3K27me3 in den entstehenden Zellen reduziert, weshalb man schon länger vermutete, dass es einen Mechanismus geben muss, der dieses Niveau wieder auf das Ausgangsniveau anhebt und somit die Blütenbildung zulässt. Experimente von Jiang & Berger (2017) erklären, wie H3K27me3 nach einer DNA-Kopie, die während der Zellteilung entsteht, erhalten bleibt. Diese Information legt ebenfalls fest, welche Funktion die einzelne Zelle in ihrer Zukunft übernehmen soll, die einer Wurzelzelle, einer Blattzelle oder eine andere Funktion. Die Ergebnisse zeigen, dass die Proteine, die für die Wiederherstellung des H3K27me3-Niveaus verantwortlich sind, direkt mit den Proteinen assoziiert sind, die für das DNA-Kopieren zuständig sind. Dieser Mechanismus ist wahrscheinlich wichtig, um Pflanzenzellen zu helfen sich zu erinnern, was sie sind. Die Regulierung von H3K27me3 dürfte auch einer der Gründe dafür sein, dass Pflanzenzellen sich leichter in andere Zellentypen verwandeln können als Tierzellen, sich also leichter regenerieren und durch dieses Gedächtnis besser mit Umwelt-Stress wie Kälte und Dürre umgehen können.

Quellen & Literatur

Jiang, D. & Berger, F. (2017). DNA replication–coupled histone modification maintains Polycomb gene silencing in plants. Science, doi: 10.1126/science.aan4965.

Langenbach, J. (2014). Wie weit denken Pflanzen voraus?. Die Presse vom 14. Februar 2014.

Shinichiro Aikawa, Masaki J. Kobayashi, Akiko Satake, Kentaro K. Shimizu, & Hiroshi Kudoh (2010). Robust control of the seasonal expression of the Arabidopsis FLC gene in a fluctuating environment. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, doi/10.1073/pnas.0914293107.

Anjar Wibowo, Claude Becker, Gianpiero Marconi, Julius Durr, Jonathan Price, Jorg Hagmann, Ranjith Papareddy, Hadi Putra, Jorge Kageyama, Jorg Becker, Detlef Weigel & Jose Gutierrez-Marcos (2016). Hyperosmotic stress memory in Arabidopsis is mediated by distinct epigenetically labile sites in the genome and is restricted in the male germline by DNA glycosylase activity. eLife, http://dx.doi.org/10.7554/eLife.13546.

http://www.dw-world.de/dw/article/0,,4237294,00.html (09-05-11)

http://ds9.botanik.uni-bonn.de/zellbio/AG-Baluska-Volkmann/ (09-05-11)

http://www.uni-giessen.de/cms/fbz/fb08/biologie/algbo/elektrophysiologische-'signalubertragung-1 (09-05-11)

http://www.dradio.de/dkultur/sendungen/forschungundgesellschaft/1327788/ (10-11-25)

http://www.uni-tuebingen.de/fakultaeten/mathematisch-naturwissenschaftliche-fakultaet/fachbereiche/biologie/institute/evolutionecology/lehrbereiche/vegetationsoekologie.html (16-01-16)

http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-20114-2016-04-26.html (16-04-25)

http://www.derbund.ch/wissen/natur/betruegerische-gewaechse/story/19232116 (17-04-25)



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