Schwimmfarn hält Regen stand

Der Auf­prall fal­l­en­der Tropfen auf Blät­ter von Salvinia moles­ta wurde von einem Forschung­steam der Uni­ver­sität Tübin­gen beobachtet mith­il­fe von Hochgeschwindigkeitskameras .
Der tro­pis­che Schwimm­farn Salvinia moles­ta hat aus­gek­lügelte Struk­turen entwick­elt, um auch bei starken Regen­fällen das Wass­er zügig von seinen Blät­tern abperlen zu lassen. Dadurch wer­den die an der Wasser­ober­fläche schwim­menden Blät­ter ent­lastet, aber vor allem auch die Spaltöff­nun­gen für den Luftaus­tausch frei gehal­ten. So kann der Farn unge­hin­dert Kohlen­diox­id aufnehmen für die Foto­syn­these. Das wurde in einem inter­diszi­plinären Koop­er­a­tionspro­jekt zwis­chen Pro­fes­sor James Nebel­sick und Dr. Dr. Wil­fried Kon­rad aus den Geowis­senschaften der Uni­ver­sität Tübin­gen und Dr. Ani­ta Roth-Nebel­sick vom Staatlichen Muse­um für Naturkunde Stuttgart bei Exper­i­menten mit künst-lichem Regen festgestellt.
Das Team ver­fol­gte den Weg auf die Blät­ter aufk­latschen­der Wassertropfen mit Hochgeschwindigkeit­skam­eras. Die effizient an Regen­fälle angepassten Blattstruk­turen kön­nten zum starken Wach­s­tum und der schnellen Aus­bre­itung des Schwimm­farns beitra­gen. Fern sein­er Heimat Brasilien gilt er vielerorts als gefährliche inva­sive Pflanze, die andere Arten ver­drängt. Die neue Studie wurde in der Fachzeitschrift Jour­nal of the Roy­al Soci­ety Inter­face veröffentlicht.
Salvinia moles­ta treibt, wie alle Schwimm­farne, frei an der Wasser­ober­fläche. Von jedem dreiblät­tri­gen Quirl liegen zwei Schwimm­blät­ter oben, ein wurze­lar­tiges Blatt streckt er nach unten. Schnell bildet er dichte und dicke Mat­ten an der Wasser­ober­fläche. Er stammt ursprünglich aus feucht­tro­pis­chen Regio­nen in Brasilien, wo er regelmäßig starken Regen­fällen aus­ge­set­zt ist. Die Schwimm­blät­ter sind an der Ober­seite von stark wasser­ab­weisenden Härchen bedeckt, deren Struk­tur an winzige Schneebe­sen erinnert.

„Diese Tri­chome sor­gen dafür, dass die unter­ge­taucht­en Blät­ter nicht mit Wass­er benet­zt wer­den. Das erre­ichen jedoch andere Wasserpflanzen mit deut­lich weniger aufwendi­gen Struk­turen. Wir haben uns daher gefragt, welchen Nutzen der Farn von den kleinen Schneebe­sen hat.“
—  Wil­fried Konrad

Experimente simulieren Regenfall

Exem­plare von Salvinia moles­ta erhielt das Forschung­steam aus den Botanis­chen Gärten in Tübin­gen und der Wil­hel­ma in Stuttgart. Es ließ im Exper­i­ment kleinere und größere Wassertropfen aus unter­schiedlich­er Höhe auf die Blät­ter des Schwimm­farns platschen, die in einem Teil­ex­per­i­ment fix­iert wur­den. „Ins­ge­samt schüt­tel­ten die Blät­ter den größten Teil des kün­stlichen Regens schnell von der Ober­fläche ab. Die Kam­er­abilder zeigen, dass die Tri­chome elastisch auf die Bewe­gungsen­ergie der fal­l­en­den Tropfen reagieren“, sagt Kon­rad. Wichtiger noch beim Abschüt­teln des Wassers sei aber die Elas­tiz­ität der Blät­ter ins­ge­samt. Das habe der Ver­gle­ich der Regen­ex­per­i­mente von frei treiben­den mit fix­ierten Blät­tern ergeben. „Als die Blät­ter befes­tigt waren, dauerte es viel länger, bis ihre Ober­fläche wieder wasser­frei war.“
Die Forscherin­nen und Forsch­er beobachteten, wie Wassertropfen an den Blät­tern abprall­ten, etwa zurück­fed­erten und eine pfannkuchenähn­liche Form annah­men oder in kleinere Tröpfchen zerteilt wur­den. „Vor allem bei den Exper­i­menten mit dick­en Wassertropfen, die aus großer Höhe auf die Farn­blät­ter fie­len, stell­ten wir fest, dass unter den kleinen Schneebe­sen immer etwas Rest­wass­er zurück­blieb“, sagt der Physik­er. „Erstaunlicher­weise schienen die Tri­chome das schnelle Abperlen des Wassers eher zu verhindern.“

Wasserabweisende Strukturen

Detail­beobach­tun­gen ergaben jedoch, dass sie sehr effizient die Blat­tba­sis von Wass­er frei­hiel­ten. „Der Energiezu­s­tand eines Tropfens ist auf den Tri­chomen gün­stiger als zwis­chen ihnen. Das liegt an der wasser­ab­weisenden Wirkung der Schneebe­sen“, erk­lärt Kon­rad. Wenn nun ein Wassertropfen über die Tri­chome des Blatts rolle, sauge er durch seine starken Ober­flächenkräfte das zwis­chen den Tri­chomen gefan­gene Rest­wass­er förm­lich auf. „So bleiben die Spaltöff­nun­gen an der Blat­tba­sis des Schwimm­farns, die zudem mit wasser­ab­weisenden Nanokristallen aus Wachs beset­zt ist, frei von Wass­er. Dort find­et der für die Pflanze lebenswichtige Gasaus­tausch statt.“ Möglicher­weise sei dies ein entschei­den­der Fak­tor für die hohe Pro­duk­tiv­ität des Farns Salvinia moles­ta, der seine Blattmas-se unter gün­sti­gen Bedin­gun­gen inner­halb weniger Tage ver­dop­peln kann.