Optimale Atmung Pflanzen sind auch nur Computer
Der Gasaustausch von Pflanzen ist ein klassisches Optimierungsproblem. Sind die winzigen Poren auf den Blättern geöffnet, dann nimmt das Gewächs reichlich Kohlendioxid auf, das bei der Photosynthese in Kohlenstoff und Sauerstoff aufgespalten wird und zum Wachsen nötig ist. Gleichzeitig entweicht bei geöffneten Poren jedoch Wasser - im Extremfall droht Vertrocknung.
Die richtige Balance zu finden, ist alles andere als einfach. Physiker von der Utah State University fragten sich, wie Pflanzen ihre Atmung optimieren, obwohl ihnen ein neuronales Netz zur Steuerung und Informationsübertragung fehlt. Sie untersuchten die Blätter einer Klettenart und entdeckten dabei ein Verhalten, das an so genannte Zellularautomaten, eine simple Form des verteilten Rechnens, erinnert.
Zellularautomat aus Poren
Die Konzentration von Kohlendioxid und Wasserdampf sei nicht konstant über der gesamten Blattoberfläche, sondern schwanke auf wenigen Quadratzentimetern örtlich und zeitlich, berichten David Peak und seine Kollegen in der Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences" (Bd. 101, S. 918-922).
Daraus folgerten die Forscher, dass sich die Poren dauernd öffnen und schließen. Die Größe der Bereiche mit geöffneten Poren und die Zeit, in der sich diese Bereiche auf der Blattoberfläche verschieben, seien identisch mit Modellen von Zellularautomaten. Jede einzelne Pore scheine sich wie ein einfacher, kleiner Computer zu verhalten, der die Poren in seiner Umgebung reagiere.
Zellularautomaten sind ein simples, aber sehr effektives Modell für verschiedenste Prozesse in der Natur. Zweidimensionale Automaten bestehen aus einem Gitter, in dem jeder Gitterpunkt bestimmte definierte Zustände hat - zum Beispiel "bewachsen" und "unbewachsen". Vorher festgelegte Regeln bestimmen die weitere zeitliche Entwicklung des Systems. Ist etwa ein bewachsener Gitterpunkt nur von unbewachsenen umgeben, dann wird er im nächsten Zeitschritt selbst zu einem unbewachsenen. Auf diese Weise lassen sich mit Zellularautomaten die Wüstenausbreitung aber auch Jäger-Beute-Systeme aus der Tierwelt simulieren.
Peak und seine Kollegen modellierten das Verhalten der Pflanzenporen mit einem vergleichsweise kleinen, nur 15 Mal 15 Zellen großen Automaten - und fanden dabei große Ähnlichkeiten mit ihren Beobachtungen auf der Oberfläche von Klettenpflanzen.
Elegante Rechentechnik
"Pflanzen lösen das Dilemma ihres Gashaushalts durch verteiltes Rechnen", schreiben die Forscher. Die Evolution habe offenbar eine elegante und sparsame Rechentechnik entwickelt, in der Eingabe, Weiterverarbeitung und Ausgabe auf derselben Hardware bewerkstelligt würden.
