Sabbernder Stumpf (Philaenus spumarius)
Kanadische Zoologen haben herausgefunden, dass sabbernde Pfennige, kleine Insekten aus der Unterordnung der Zikaden, bei der Aufnahme von Baumsaft einen Druck von mehr als einem Megapascal erzeugen. Das würde reichen, um mit einem 100 Meter langen Cocktailrohr Flüssigkeit anzusaugen. Eine ungewöhnliche Fähigkeit von Pfennigen ermöglicht es ihnen, sich von Xylemsaft zu ernähren, der sich entlang des leitfähigen Systems der Pflanzen von den Wurzeln bis zu den Blättern bewegt und unter starkem Unterdruck steht. Die Ergebnisse der Studie werden in einem Artikel für die Zeitschrift Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences veröffentlicht.
Viele Insektenarten ernähren sich von Pflanzensäften und saugen sie mit Hilfe des Rüssels aus. In den meisten Fällen konsumieren sie organisch reicher Phloemsaft, der von den Blättern zu nicht-photosynthetischen Organen wandert. Nur in der Unterordnung der Zikaden (Auchenorrhyncha) gibt es Arten, deren Nahrung ausschließlich aus Xylemsaft besteht – einer Flüssigkeit, die von Wurzeln zu Blättern aufsteigt und hauptsächlich aus Wasser und darin gelösten anorganischen Verbindungen besteht. Der Nährwert eines solchen Futters ist sehr gering, daher mussten die Zikaden im Darm einen komplexen Filterapparat erwerben, der es ermöglicht, mehr als 99 Prozent der enthaltenen Zucker und Aminosäuren aus Xylemsaft zu extrahieren. Trotzdem ist diese Flüssigkeit so arm an organischer Substanz, dass die Insekten, die sich davon ernähren, 100-1000-mal mehr Saft absaugen, filtern und abgeben müssen, als sie am Tag wiegen. Es überrascht nicht, dass sie normalerweise den ganzen Tag füttern und urinieren.
Ein zusätzliches Problem ist, dass der Xylemsaft unter starkem Unterdruck von bis zu 1,1 Megapascal steht - dadurch steigt er am Stiel hoch. Um es aus den Gefäßen, durch die es zirkuliert, zu saugen, insbesondere in solchen Volumina wie die Zikaden, müssen Sie große Anstrengungen unternehmen (zum Vergleich: Phloemsaft steht unter Überdruck, sodass Insekten nur in das Gefäß gelangen müssen, durchstechen seine Wand mit ihrem Rüssel und fangen an zu trinken). Obwohl Zikaden über eine starke Muskel-(Zibarien-)Pumpe verfügen, die ihnen hilft, Flüssigkeiten aufzunehmen, zeigten frühere Berechnungen, die auf der Struktur des Mundapparates des blutsaugenden Käfers Rhodnius prolixus basieren, dass er keine Drücke über 0,3-0,4 Megapascal erzeugen kann - und das ist eindeutig nicht aus, um den Druck in den Xylemgefäßen zu überwinden. Um dieses Paradoxon aufzulösen, äußerten einige Experten sogar die Meinung, dass der Unterdruck im Xylem nicht so groß ist wie bisher angenommen.
Ein Team von Zoologen unter der Leitung von Philip G. D. Matthews von der University of British Columbia beschloss, dieses Problem aus einem anderen Blickwinkel anzugehen und die Anatomie und den Stoffwechsel von Zikaden genauer zu untersuchen. Sie konzentrierten sich auf den Slobbery Penny (Philaenus spumarius), der in Nordafrika und Eurasien verbreitet und in Nordamerika eingeschleppt wurde. Die Forscher haben mehrere ausgewachsene Tiere dieser Art gefangen, enthauptet und die Struktur der Cybarialpumpe mittels Mikrocomputertomographie analysiert. Durch Messung der Länge der Sarkomere in den Dilatatormuskeln kamen die Forscher zu dem Schluss, dass der Pfennig, der Saft einsaugt, einen Druck von 1,3 ± 0,2 Megapascal erzeugt. Dieser ist höher als der Druck in den Xylemgefäßen, sodass es ausreicht, den Saft aus ihnen zu saugen. Wenn eine Person den gleichen Druck erzeugt, könnte sie laut den Autoren mit einem 100 Meter hohen Cocktailschlauch Flüssigkeit ansaugen.
Matthews und seine Co-Autoren berechneten mit Hilfe der Durchfluss-Respirometrie mehrerer Pfennige und der Analyse von Videoaufnahmen ihrer Nahrungsaufnahme von Hülsenfrüchten die Stoffwechselrate dieser Insekten. Im Durchschnitt waren es 48,7 Mikrowatt. Anschließend erhöhten die Forscher den Unterdruck in den Xylemgefäßen, indem sie die Pflanzenwurzeln mit Polyethylenglykol behandelten. Dadurch erhöhte sich die Frequenz der Zibarialpumpe leicht von 0,89 auf 0,97 Hertz und die durchschnittliche Stoffwechselrate der Pennitz Zibarialpumpe stieg von 25,5 auf 39,3 Mikrowatt. Das heißt, je stärker der Unterdruck im Xylem ist, desto mehr Anstrengungen müssen die Pfennige unternehmen, um ihn zu überwinden.
Xylemsaft ist eine der am wenigsten nahrhaften Flüssigkeiten im Pflanzenkörper. Zum Beispiel beträgt die Energiedichte in Tomaten-Xylem-Flüssigkeit 12,3 bis 39,9 Joule pro Kubikzentimeter. Berechnungen zeigen jedoch, dass ein Penny, der es isst, seinen Energiebedarf zu mehr als hundert Prozent decken kann, auch wenn er einen erheblichen Teil seiner Energie für den Betrieb der Cybarial-Pumpe aufwendet.
Mehr über das Leitsystem der Pflanzen und die Versuche von Spezialisten, das Wirkprinzip nachzubilden, erfahren Sie aus unserem Material „Inspiriert von der Buche“.
