Floranium visualisiert das geheime Leben der Pflanzen

| Autor / Redakteur: Martin Heine * / Johann Wiesböck

Bild 1: Funktionsweise eines Floranions: Der galvanische Widerstand zwischen Blatt und Wurzel einer Pflanze wird über einen Verstärker gemessen, gefiltert und mit einem Mikrocontroller über einen ADC abgetastet.
Bild 1: Funktionsweise eines Floranions: Der galvanische Widerstand zwischen Blatt und Wurzel einer Pflanze wird über einen Verstärker gemessen, gefiltert und mit einem Mikrocontroller über einen ADC abgetastet. (Bild: Martin Heine)

Biologisch wissen wir eine ganze Menge über Pflanzen. Doch wie sie auf Umwelteinflüsse reagieren oder sich vor Feinden schützen, entzieht sich unserer Wahrnehmung. Dies will das Floranium-Projekt ändern.

Pflanzen umgeben uns überall, sie atmen CO2 und liefern unseren lebensnotwendigen Sauerstoff. Blumen, Kräuter, Palmen oder Orchideen ... Pflanzen stehen in unseren Häusern an den Fenstern. Doch was wissen wir über diese Lebewesen? Biologisch eine ganze Menge. Zu welcher Jahreszeit welche Pflanze blüht, gegen welche Krankheit welches Heilkraut am besten hilft, und auch welche Nährstoffe oder welches Licht eine Pflanze braucht, ist wissenschaftlich erforscht. Auch sind Vorgänge in den Zellen, Stoffwechsel und Metabolismus weitgehend bekannt.

Doch das alltägliche Verhalten von Pflanzen, wie sie auf bestimmte Umwelteinflüsse reagieren oder wann und wie sie sich vor Feinden schützen, entzieht sich bis auf wenige Ausnahmen unserer Wahrnehmung. Das Alpenveilchen steht still auf dem Fensterbrett und bewegt sich nicht. Wir sehen ihm nicht an, ob es sich wohl fühlt oder ob ihm etwas fehlt. Bis es zu spät ist und es seine Blätter verliert. Das Projekt Floranium will hier Abhilfe schaffen.

Pflanzen-Aktivitäten und ihre Signale

Grundsätzlich kann zwischen zwei unterschiedlichen biologischen Aktivitäten in einer Pflanze unterschieden werden, welche Signale aussenden: Primäre und sekundäre Stoffwechselprozesse. Zu den primären Stoffwechselprozessen (Primärmetaboliten) zählen Fotosynthese, Ionenaustausch an den Zellmembranen (Anionen/Kationen), Reizweiterleitungen über Aktionspotenziale sowie auch die Kommunikation über elektrische Signale durch die Nährstoff-Bahnen (Phloem).

Signale, die durch primäre Stoffwechselprozesse ausgelöst werden, lassen sich allerdings nur mit viel Aufwand messen. Dazu werden extrem feine Elektroden benötigt, die direkt in die Nährstoff-Bahnen eingebracht werden können, ohne dabei über die feuchte Außenhaut der Pflanze „kurzgeschlossen“ zu werden. Ein Beispiel ist die „Blattlaus-Bio-Elektrode“ (ja, Sie haben richtig gelesen). Eine Kohlblattlaus wird mit einem sehr feinen Golddraht verbunden. Da die Blattlaus auf die Nährstoffe der Pflanze aus ist, dringt sie mit ihrem Stachel in die Nährstoff-Bahn (Phloem) ein und stellt durch Saugen eine direkte elektrische Verbindung zum Phloem her. Ob die Blattlaus merkt, dass sie als Elektrode missbraucht wird, ist unbekannt.

Sekundäre Stoffwechselprozesse (Sekundärmetaboliten) erzeugen pflanzliche Stoffe wie phenolische und isoprenoide Verbindungen, Alkaloide (Koffein, Nikotin) und Aminosäuren wie Alliin oder Canavanin. Diese Prozesse wirken sich auf die elektrolytischen Eigenschaften der Pflanze aus und können deshalb mittels Elektroden an der Außenhaut der Pflanze elektrisch gemessen werden.

Von ersten Pflanzen-Messversuchen zu Floranium

Inspiriert vom Buch „Das geheime Leben der Pflanzen“ begann 1981 das Pflanzen-Messprojekt im Rahmen einer Feingeräteelektroniker-Lehre am Institut für Physikalische Chemie an der Uni Stuttgart. Eine alte, ausgediente Geschirrspülmaschine wurde zu einer Pflanzen-Messkammer umgebaut und Messverstärker und Widerstandsbrücken gebastelt, um diesen phantastischen Pflanzen-Signalen auf die Spur zu kommen. Doch sehr bald stellte es sich heraus, dass es sehr schwierig ist, aus unzähligen Messkurven und Daten das Verhalten einer Pflanze abzuleiten. Das Projekt landete in einer Sackgasse.

Einige Jahre später jedoch entstand plötzlich die zündende Idee: „Eine hübsche kleine farbige LED-Leuchte könnte die Spannungsschwankungen einer angeschlossene Pflanze über die Änderung der Lichtfarbe ganz intuitiv anzeigen. Das Pflanzen-Mess-Projekt war wiedergeboren und bekam den schönen Namen „Floranium“. Das daraufhin entwickelte Gerät wurde „Floranion“ getauft, einer Wortkombination aus Flora (Pflanzenwelt) und Ion (elektrisch geladenes Atom oder Molekül).

Bild 2: Die Elektrodermale Aktivität der Pflanze wird als Farbänderung einer RGB-LED angezeigt.
Bild 2: Die Elektrodermale Aktivität der Pflanze wird als Farbänderung einer RGB-LED angezeigt. (Bild: Martin Heine)

Der Anschluss eines Floranions an eine Pflanze erfolgt über einen kleinen Clip, der vorher noch mit etwas Leitpaste eingestrichen wird. Zusätzlich wird für die Masse im wahrsten Sinne des Wortes „Erde“ ein Erdspieß in die Erde gesteckt. Nach dem Anschließen der Spannungsversorgung kalibriert sich das Messgerät automatisch und zeigt erst schnellere, dann langsame Farbübergänge je nach Aktivität der Pflanze. Nun lässt sich das Verhalten einer Pflanze direkt beobachten.

Wird eine Pflanze beispielsweise durch ein brennendes Streichholz „bedroht“, so reagiert sie erst auf Zellebene, tauscht Ionen aus und erzeugt ein Aktionspotenzial (Primärmetaboliten), was wiederum sekundäre Effekte anregt und einen Schutzmechanismus auslöst. Dabei ändert sich Impedanz und Spannung zwischen Blatt und Erde.

Diese Änderung wird vom Floranion in ein visuelles Farbspiel umgewandelt. Unterschiedliche Pflanzen liefern unterschiedliche Farbspiele. Manche ändern die Leuchtfarbe eines angeschlossenen Floranions schneller, andere langsamer. Mit einem Floranion-Gerät können also auch unterschiedliche Pflanzentypen prinzipiell identifiziert werden.

Bild 3: Floranion Discovery angeschlossen an einem Clusia (Balsamapfel).
Bild 3: Floranion Discovery angeschlossen an einem Clusia (Balsamapfel). (Bild: Martin Heine)

Zukunftsvision – Planzen als Frühwarnsystem

Wenn wir Pflanzen lange genug mit einem Floranion beobachten, erkennen wir vielleicht, was die Pflanze genau wann „macht“, also welcher elektrische Signalverlauf unter welchen Bedingungen erzeugt wird. Dann könnte dieses Pflanzen-Messsystem eines Tages zu einem sehr leistungsfähigen Frühwarnsystem werden, sei es zur Früherkennung von Waldbränden, Erdbeben oder Vulkanausbrüchen, oder zur Warnung vor Luftverschmutzungen, Schadstoffen oder Schädlingsbefall in der Landwirtschaft. Pflanzen werden zu leistungsfähigen Allround-Umweltsensoren in ihrer natürlichen Umgebung.

Bild 4: Unterseite des Floranion Discoveries
Bild 4: Unterseite des Floranion Discoveries (Bild: Martin Heine)

Neben dem Floranion Discovery ist auch ein Floranion Shield für die Plattform NXP FDRM-KL25Z erhältlich. Die Firmware ist Open Source und in der ARM mbed Community verfügbar. Damit lassen sich spannende, eigene Projekte realisieren, beispielsweise zum Anschluss an einen Musik-Synthesizer oder zur Steuerung der Raumbeleuchtung. Der Autor unterstützt Sie gerne bei der Entwicklung kundenspezifischer Pflanzen-Messtechnik. Entsprechende Vertriebspartner sind ebenfalls willkommen. Weitere Informationen finden Sie im Internet unter www.floranium.com.

Pflanzensignal-Pioniere und Forschung heute

Die Vorstellung, dass Pflanzen besondere Lebewesen sind, existiert wohl seit Anbeginn der Menschheit. Ob im alten Ägypten, bei den Ureinwohnern Amerikas, den alten asiatischen Völkern oder Ur-Stämmen Afrikas: Pflanzen haben schon seit jeher eine spezielle Bedeutung. Blüten-, Blätter-, und Stengel-Symbole tauchen in fast allen Kulturen auf. Kräuter heilen, Blumen erheitern, Bäume beschützen. So manche Pflanze ist in Religionen sogar heilig.

Gustav Theodor Fechner
Gustav Theodor Fechner (Bild: gemeinfrei / CC0)

Der deutsche Psychologe, Physiker und Naturphilosoph Gustav Theodor Fechner (veröffentlichte im Jahre 1848 das Buch „Nanna oder über das Seelenleben der Pflanzen“. Er bezweifelt darin die Nichtexistenz einer Seele anhand von all den physiologischen Eigenheiten der Pflanzen. Wie sie leben, reagieren, agieren und produzieren. Fechner vertrat die Theorie von der Allbeseelung des Universums.

Jagadish Chandra Bose
Jagadish Chandra Bose (Bild: gemeinfrei / CC0)

Pionierarbeit in der Pflanzenforschung leistete der indische Wissenschaftler Jagadish Chandra Bose. Er wandte sich nach 1900 ganz dem Thema „Physiologie der Pflanzen“. Bose veröffentlichte Publikationen über die Einwirkung elektromagnetischer Strahlen auf Pflanzen und entwickelte Instrumente wie der „Crescograph“ mit dem er das Wachstum und die Bewegungen von Pflanzen mit bis zu zehnmillionenfacher Verstärkung beobachten konnte.

Dem Lügendetektor-Spezialisten Cleve Backster wurde es am 2. Februar 1966 in seinem Labor langweilig. Aus reiner Neugier schloss er einen Polygraphen an seiner Dracena Zimmerpflanze an. Erst hat er Pflanze gegossen, dann ein Blatt berührt. Nach dem die Nadel des Polygraphen kaum ausschlägt, entschied er sich Backster dazu, mit einem Streitholz ein Blatt der Pflanze an zu senken. Als er das Streichholz in der Hand hielt, und es gerade anreiben wollte, fing der Polygraph an, wilde Messkurven zu zeichnen. Cleve Backster war von diesem Phänomen so beeindruckt, dass er daraufhin sein ganzes Leben den Pflanzensignalen widmete. Im Jahr 2003 veröffentlichte er das Buch „Primary Perception: Biocommunication with Plants, Living Foods, and Human Cells“.

Cleve Backster
Cleve Backster (Bild: Gay Pauley / CC BY NaN)

Peter Tompkins und Christopher Bird schrieben 1973 zusammen das berühmt berüchtigte Buch „Das geheime Leben der Pflanzen“. Es landete auf der New York Times Bestseller Liste für Non Fiction.

Peter Tompkins ist 1919 in Georgia geboren und war amerikanischer Journalist, Spion in Rom im Zweiten Weltkrieg der OSS (Office of Strategic Services) und Bestseller-Autor. Bekannt wurde Peter Tompkins hauptsächlich auch durch seinen Dokumentarfilm „Geheimnisse des Bermuda Dreiecks“

Christopher Bird, der in den 50er Jahren bei der Central Intelligence Agency (CIA) war, wurde 1928 in Boston geboren und erhielt 1951 einen Abschluss vom Harvard College. Später studierte er Osteuropäische Kulturen und Polynesische Anthropologie. Er war in der US Army in Vietnam und arbeitete als freier Journalist und für die RAND Corporation. Auch war er Vice President der Planetary Association for Clean Energy (PACE). Sein Lieblingsgebiet waren unerklärte Phänomene.

Marcel Vogel, 1917 in San Francisco geboren, besuchte die Universität von San Francisco. Bevor er 1957 zu IBM kam, war er ein etablierter Experte in den Bereichen Magnetik, Chemie und Licht Lumineszenz. Im Jahr 1943 schrieb er über Lumineszenz in Flüssigkeiten und Feststoffen, startete sein eigenes Unternehmen, Vogel Luminescence. Er schuf phosphoreszierende Farben, Kreide und Buntstifte. Nach dem Verkauf seines Unternehmens stieß Vogel zu IBM als Wissenschaftler. Nach 27 Jahren IBM und 32 Patenten zog sich der unkonventionelle Wissenschaftler zurück und konzentrierte sich auf die Kommunikation zwischen Mensch und Pflanze. 1974 schrieb er die als kleines Buch veröffentlichte Abhandlung: „Man-Plant Communication“ Mensch-Pflanze Kommunikation, in der er über die erfolgreiche Nachstellung von Cleve Backsters Versuchen berichtet.

Forschung an Pflanzensignalen heute

Zahlreiche weitere Projekte und Forscher folgten, die Signale von Pflanzen untersucht haben. Ein Beispiel ist das von der EU geförderte Projekt PLEASED, geleitet von Andrea Vitaletti an der Universität Rom. Eine andere Gruppe forschte an der Universität Freiburg unter Leitung von Prof. Dr. Edgar Wagner. Pflanzen machen Musik (Damanhur) oder steuern Gewächshäuser (ZINEG-Projekt).

Bild 4: Zukunftsvision Floranium-Projekt: Die gemessenen Pflanzensignale von vielen verteilten Floranions könnten via Deep Learning (künstliche Intelligenz) beurteilt werden, um Auffälligkeiten in der Umwelt zu alarmieren.
Bild 4: Zukunftsvision Floranium-Projekt: Die gemessenen Pflanzensignale von vielen verteilten Floranions könnten via Deep Learning (künstliche Intelligenz) beurteilt werden, um Auffälligkeiten in der Umwelt zu alarmieren. (Bild: Martin Heine)

In der Vergangenheit wurden die Versuche von Cleve Backster, Marcel Vogel oder andere im Buch „Das Geheime Leben der Pflanzen" oft belächelt. Doch dass Pflanzen viel intelligenter sind, als wir denken, lässt sich auch von Wissenschaftlern nicht abstreiten. In Deutschland forschen heute zahlreiche Universitäten auf dem Gebiet der Pflanzenneurobiologie, einem interdisziplinären Forschungsgebiet, bei dem die pflanzliche Kommunikation und Signalverarbeitung (Plant Signalling) untersucht wird.

Beispiele sind das IZMB (Institut für Zelluläre & Molekulare Botanik der Universität Bonn), das Biozentrum der Universität Würzburg, die Molekulare Pflanzenphysiologie der Albert Ludwigs Universität Freiburg und das Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen (ZMBP) der Eberhard Karls Universität Tübingen sowie in Italien das LINV (International Laboratory of Plant Neurobiology, Universität Florenz).

* Martin Heine arbeitet als freier Hardware- und Firmware-Entwickler und ist Spezialist für Embedded-Systeme, Sensoren und Antennen.

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