Forschung vertieft Verständnis dafür, wie nektarliebende Arten mit ihrer Umwelt interagieren und gedeihen
Nektar ist zwar eine primäre Energiequelle für Kolibris und Bienen, die sich bekanntlich davon ernähren, aber er ist nicht einfach zu handhaben. Seine Viskosität kann je nach Zuckerkonzentration stark variieren, die wiederum bei verschiedenen Pflanzenarten und sogar bei einzelnen Blüten unterschiedlich sein kann. Um mit dieser Variabilität zurechtzukommen, haben Nektarfresser ausgefeilte Mechanismen zur effizienten Aufnahme von Nektar entwickelt. So bestehen beispielsweise die Zungen von Kolibris und Bienen aus kleinen, flexiblen Strukturen, die deutlich kleiner als die Länge der Kapillaren sind. Die Zungen der Kolibris sind lang, schlank und am Ende gespalten. Somit entstehen zwei offene Röhren, die durch Kapillarkräfte schnell Flüssigkeit aufnehmen können. Im Gegensatz dazu sind die Zungen der Bienen mit winzigen Härchen bedeckt, die sich beim Eintauchen in den Nektar wie die Haare eines Pinsels öffnen, wodurch sie den Nektar effizient aufnehmen können. „In-vivo-Messungen haben gezeigt, dass es eine optimale Zuckerkonzentration für Nektar gibt, die die Energieaufnahme von Nektarfressern maximiert, d. h., die maximale Kalorienaufnahme pro Zeiteinheit“, erläutert Fabian Brau, Koordinator des EU-finanzierten Projekts BioCapSoft. „Dieses Optimum variiert zwischen Bienen und Kolibris und sogar zwischen verschiedenen Bienenarten. Daher sind Blumen, die Nektar mit einer Zuckerkonzentration nahe diesem Optimum produzieren, für diese Lebewesen am besten geeignet.“
Komplizierte Fluidtransportphänomene erfassen
Diese Nektaraufnahme von Nektarfressern ist jedoch nur schwer direkt zu beobachten – die Nektaraufnahme erfolgt oft innerhalb weniger Sekunden und beinhaltet mikroskopische Strukturen und Kräfte. „Unser Hauptziel bestand darin, die physikalisch-chemischen Mechanismen, mit denen Nektarfresser dank ihrer hierarchisch strukturierten, weichen Zungen viskose Fluide effizient auffangen können, nachzuvollziehen“, erklärt Emmanuel Siéfert, ein über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziertes Projektmitglied. Er führte einfache Experimente durch, um die wichtigsten physikalischen Eigenschaften dieser Lebewesen zu erfassen. Die vorgeschlagenen Modelle und Experimente haben dazu beigetragen, bisher nicht dokumentierte Phänomene aufzudecken. „Wir haben zum Beispiel den unterkritischen Übergang zur Koaleszenz aufgedeckt, der beschreibt, wie sich teilweise eingetauchte elastische Strukturen verhalten, wenn sie aus einem Flüssigkeitsbad herausgezogen werden“, erläutert Siéfert. Darüber hinaus untersuchte der Forscher, wie sich die Abzugsgeschwindigkeit auf die kapillare Anziehungskraft auswirkt (ein Phänomen, das als Cheerios-Effekt bezeichnet wird) und wie sich imprägnierte gerippte (weiche) Blätter spontan einrollen, wenn die Tränkflüssigkeit verdunstet.“ Andere Modelle werden optimiert, um weiche Blätter mit dem besten Flüssigkeitsrückhaltevermögen zu entwickeln, die den Fluidtransport in kleinem Maßstab begünstigen könnten. Siéfert prüft derzeit, wie komplexere flexible Strukturen (Bürsten und künstliche Blätter) Fluide einfangen. Er bringt sie damit näher an die biologischen Systeme, die uns interessieren, nämlich die Zungen von Nektarfressern.
Wertvolle Ergebnisse zu Zungenmorphologie und Zuckerkonzentration
Bisher hat BioCapSoft zur Veröffentlichung von fünf Artikeln geführt. Drei weitere sind in Arbeit, die einige grundlegende Ergebnisse zu elasto-kapillaren Phänomenen vorstellen. Die Projektergebnisse könnten unser Verständnis dafür verbessern, wie Kolibris Nektar sammeln, und den Zusammenhang zwischen der optimalen Zuckerkonzentration für die Energieaufnahme und der Morphologie ihrer Zunge aufzeigen. „In ähnlicher Weise hat eine kürzlich durchgeführte Studie ergeben, dass die optimale Zuckerkonzentration für Bienen dem Seitenverhältnis der winzigen Härchen auf ihren Zungen entspricht“, bemerkt Siéfert. „Das bedeutet, dass wir anhand einer einfachen rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme einer Bienenzunge die ideale Zuckerkonzentration für diese Art abschätzen können“, unterstreicht Brau. „So können wir feststellen, welche Blüten für bestimmte Bienenarten am besten geeignet sind – nämlich solche, die Nektar mit einer Zuckerkonzentration nahe diesem Optimum produzieren.“
Schlüsselbegriffe
BioCapSoft, Zunge, Biene, Kapillare, Kolibri, Nektar, Nektarfresser
