Pflanzenneurobiologie

Gegenstand und Ziel der Forschungsrichtung

Pflanzenneurobiologie ist ein neues, interdisziplinäres Forschungsgebiet. Sie untersucht, wie Pflanzen ihre Umwelt wahrnehmen, Informationen verarbeiten und auf Veränderungen reagieren. Dabei werden sowohl elektrische als auch molekulare Signale betrachtet. Im Mittelpunkt stehen die pflanzliche Kommunikation und die koordinierte Signalweiterleitung zwischen Zellen. Ziel ist außerdem, besser zu verstehen, wie die Verarbeitung von Informationen den Stoffwechsel und das Wachstum von Pflanzen reguliert.

Pflanzen müssen auf Schwankungen des Licht-, Wasser- und Nährstoffangebots sowie auf Schädlinge reagieren. Dazu benötigen sie Sensoren und Systeme zur Aufnahme und Weiterleitung von Informationen. Vertreter der Pflanzenneurobiologie meinen, dass Ähnlichkeiten zwischen pflanzlichen und tierischen Vorgängen bisher zu wenig berücksichtigt wurden. Deshalb führten sie Anfang des 21. Jahrhunderts den Begriff „Pflanzenneurobiologie“ beziehungsweise „plant neurobiology“ in den wissenschaftlichen Diskurs ein.

Zu den Initiatoren gehörten Arbeitsgruppen der Universität Bonn und der Universität Florenz. 2005 fand in Florenz das erste Internationale Symposium zur Pflanzenneurobiologie statt. Im selben Jahr wurde die „Society for Plant Neurobiology“ gegründet, die 2009 in „Society of Plant Signaling and Behavior“ umbenannt wurde. 2006 gründete sie die Zeitschrift Plant Signaling & Behavior. Der Ansatz verbindet unter anderem Elektrophysiologie, Zellbiologie, Molekularbiologie und Ökologie.

Wurzeln, elektrische Signale und mögliche Leitstrukturen

Die Pflanzenneurobiologie beruft sich häufig auf die Ende des 19. Jahrhunderts formulierte „root-brain“-Hypothese von Charles und Francis Darwin. Danach können Wurzelspitzen ähnlich wie die Gehirne niederer Tiere wirken. Wurzelspitzen besitzen unter anderem Mechanismen zur Wahrnehmung der Schwerkraft. Wegen ihrer Sinnesleistungen und ihrer Fähigkeit zur Nahrungsaufnahme beschreibt die Pflanzenneurobiologie die Wurzel als vorderes Ende und den Spross als hinteres Ende der Pflanze – die Pflanze stecke gewissermaßen mit dem „Kopf“ im Boden.

Elektrische Signale in Pflanzen sind seit dem 19. Jahrhundert bekannt. John Scott Burdon-Sanderson beschrieb sie 1873 erstmals. Zunächst wurden solche Signale vor allem bei Pflanzen mit schnellen Reaktionen auf Berührungen vermutet, etwa bei der Mimose (Mimosa pudica), der Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) und Ranken von Kletterpflanzen. In den 1930er-Jahren wurden Aktionspotentiale auch bei Riesen-Internodialzellen von Armleuchteralgen gemessen. Später wies man elektrische Aktivitäten mithilfe der Patch-Clamp-Technik, einer elektrophysiologischen Messmethode, auch bei weiteren Pflanzen wie Kürbisgewächsen nach.

Als mögliche pflanzliche Entsprechungen zu Nerven wurden vor allem die Leitbündel untersucht. Besonders das Phloem wurde mit Nerven verglichen. Weitere über mehrere Zellen reichende Strukturen fanden sich in Wurzeln sowie zwischen Drüsenhaaren und Drüsen bei Fettkräutern (Pinguicula). Die Pflanzenphysiologie ging jedoch überwiegend davon aus, dass Pflanzen keine Nerven besitzen und Signale über längere Strecken hauptsächlich chemisch weitergeleitet werden. Phytohormone sowie die Eigenschaften pflanzlicher Zellen, etwa Turgor und dicke Zellwände, schienen diese Sichtweise zu stützen. Populäre Veröffentlichungen wie Das geheime Leben der Pflanzen von Peter Tompkins und Christopher Bird aus dem Jahr 1973, die Pflanzen Emotionen und paranormale Fähigkeiten zuschrieben, trugen nach Ansicht der Pflanzenneurobiologie zu einem „Stigma des Esoterischen“ bei.

Elektrische Signalweiterleitung

Bei Pflanzen gibt es zwei wichtige Formen elektrischer Signalweiterleitung. Beide beruhen auf einer vorübergehenden Depolarisation des Membranpotentials und besitzen eine Refraktärzeit. Das ist der Zeitraum, in dem eine erregte Zelle nicht erneut auf einen Reiz reagieren kann.

Aktionspotentiale folgen dem Alles-oder-nichts-Prinzip. Die Fangblätter der Venusfliegenfalle und der Wasserfalle (Aldrovanda) sowie einige niedere Pflanzen erzeugen omnidirektionale Aktionspotentiale, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Bei höheren Pflanzen sind direktionale Aktionspotentiale entlang der Leitgefäße verbreiteter. Sie laufen in eine bestimmte Richtung. Pflanzliche Aktionspotentiale sind mit Calcium-, Chlorid- und Kaliumkanälen in den Zellmembranen verbunden.

Die zweite Form sind „Slow Wave Potentials“. Im Gegensatz zu Aktionspotentialen können sie unterschiedlich groß sein. Sie folgen hydraulischen Druckschwankungen des Xylems entlang der Pflanzenachse; an ihrer Entstehung scheinen andere Mechanismen beteiligt zu sein. Als mögliche Strukturen für die Signalweiterleitung über größere Entfernungen werden Siebröhren, Geleitzellen, Forisomen – Proteinkomplexe im Phloem bei Schmetterlingsblütlern – und Plasmodesmata untersucht. Plasmodesmata sind Verbindungskanäle zwischen Pflanzenzellen. Wie die beobachteten elektrischen Vorgänge mit den vielfältigen Reaktionen von Pflanzen auf ihre Umwelt zusammenhängen, ist noch weitgehend ungeklärt.

Transmitterartige Stoffe und Auxin

In Pflanzen wurden Moleküle nachgewiesen, die ähnliche Rollen wie Neurorezeptoren und Neurotransmitter im tierischen Nervensystem übernehmen könnten. Dazu gehören Acetylcholin, Catecholamine, Histamine, Serotonin, Dopamin, Melatonin, GABA und Glutamat. Noch ist weitgehend unbekannt, ob diese Stoffe nur im Stoffwechsel vorkommen oder auch an der pflanzlichen Reizverarbeitung beteiligt sind. Für Glutamat sprechen entsprechende Rezeptoren für eine solche Funktion; auch bei GABA und Acetylcholin gibt es Hinweise auf eine Funktion als Transmitter.

Vertreter der Pflanzenneurobiologie beschreiben außerdem interzelluläre Spalten im Wurzelgewebe als „plant synapses“ und vergleichen sie mit tierischen neuronalen Synapsen. Da Pflanzenwurzeln sehr empfindlich auf das neurotoxische Aluminium reagieren, dem auch bei der Alzheimer-Krankheit eine Rolle zugeschrieben wird, sehen einige Forscher mögliche Beiträge zum Verständnis dieser Erkrankung.

Auch das Phytohormon Auxin wird als neurotransmitterartige Substanz betrachtet. Auxin übernimmt vielfältige Aufgaben bei Wachstum und Differenzierung. Für seinen Transport zwischen Zellen existieren Mechanismen im Symplast, also im zusammenhängenden Zellinneren, sowie im Apoplast, also in Zellwänden und Zellzwischenräumen. Ein Transport durch die Plasmodesmata wird offenbar aktiv vermieden, wodurch der polare Transport durch den Apoplast begünstigt wird. Der transzelluläre Transport ist noch schlecht verstanden; vermutet werden vesikelbasierte Prozesse über Endosomen und spezielle Auxin-Transportmoleküle. Extrazellulär zugeführtes Auxin kann innerhalb weniger Sekunden rasche elektrische Antworten auslösen. Diese Mechanismen unterscheiden sich offenbar von der langfristigen Auxinwirkung auf die Transkription.

Verhalten, Ökologie und pflanzliche Intelligenz

Die Pflanzenneurobiologie untersucht nicht nur Reaktionen einzelner Pflanzen, sondern auch Signale, die ganze Pflanzengemeinschaften koordinieren könnten. Dazu gehören mögliche Einflüsse auf die mikrobiologische Gemeinschaft des Wurzelraums, der Rhizosphäre, sowie Erkennungs- und Wechselwirkungsmechanismen zwischen Pflanzen gleicher oder verschiedener Arten.

Pflanzen werden in diesem Zusammenhang als territoriale „behavioural organisms“, also als Organismen mit Verhalten, beschrieben. Sie sollen Informationen aus der biotischen, also lebenden, und der abiotischen, also unbelebten, Umwelt aufnehmen, speichern, teilen, verarbeiten und nutzen. Die gegenüber Tieren meist um Größenordnungen langsameren Zeit- und Reaktionsabläufe könnten dazu geführt haben, dass diese Fähigkeiten lange übersehen wurden.

Daraus ergibt sich die Frage nach einer „plant intelligence“, also pflanzlicher Intelligenz. In diesem Ansatz umfasst Intelligenz detaillierte sensorische Wahrnehmung, Informationsverarbeitung, Lernen, Gedächtnis, optimierte Erschließung von Ressourcen, Selbsterkennung, Vorausschau und Problemlösung in wiederkehrenden sowie neuen Situationen. Vertreter der Pflanzenneurobiologie halten diese Eigenschaften auch bei Pflanzen für vorhanden. 2020 untersuchte Paco Calvo, ob grüne Bohnen bewusst zu unterstützenden Strukturen hinwachsen, und deutete die Ergebnisse als Hinweise auf komplexes Verhalten.

Wissenschaftliche Kontroversen

Die Begriffe und Schlussfolgerungen der Pflanzenneurobiologie sind stark umstritten. 2007 kritisierten 36 Wissenschaftler aus 33 Institutionen in einem Brief in Trends in Plant Science den Begriff „Pflanzenneurobiologie“ und mehrere Grundannahmen der Forschungsrichtung. Ihrer Ansicht nach werden Gemeinsamkeiten auf molekularer Ebene, etwa Aktionspotentiale oder neurotransmitterartige Stoffe, unzulässig auf höhere Ebenen wie Gewebe und Organe übertragen. Wegen der häufigen Plasmodesmata seien Pflanzenzellen eng elektrisch gekoppelt; daher seien Transmitter möglicherweise nicht erforderlich. Die bekannten Auxin-Transportmoleküle würden für den Auxintransport ausreichen. Selbst ein vesikelbasierter Zell-zu-Zell-Transport dürfe nicht mit Vorgängen an tierischen Nerven und Synapsen gleichgesetzt werden. Belege für Neurone, Synapsen oder ein Gehirn bei Pflanzen gebe es nicht.

Die Gegenseite bezeichnet viele verwendete Begriffe als Metaphern. Diese könnten neue Forschungsfragen anregen, ähnlich wie Darwins „root-brain“-Hypothese oder Barbara McClintocks Metapher einer „genetic intelligence“. Entscheidend seien nicht die Begriffe, sondern bisher möglicherweise übersehene Phänomene.

2009 wurden in Maiswurzelspitzen zeitlich synchronisierte, spontane elektrische Oszillationen gemessen. Die Autoren sahen darin ein Zeichen dafür, dass die Wurzelspitze als Sensorbereich für verschiedene Umweltreize dient. Der Pflanzenelektrophysiologe Dietrich Gradmann kritisierte jedoch methodische und experimentelle Mängel, Fehlinterpretationen von Artefakten und das Reviewverfahren; der Artikel müsse zurückgezogen werden.

Kritiker bemängeln insgesamt eine „zoomorphe Aufladung“ der Terminologie. Sie könne die grundlegenden Unterschiede zwischen autotrophen Pflanzen und heterotrophen Tieren verwischen. In Fachkreisen wird das Konzept daher mehrheitlich abgelehnt, und auch die populärwissenschaftliche Rezeption ist überwiegend kritisch.