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Mathematische Regeln für das Blatt–Design

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Biologiewissenschaftler der University of California at Los Angeles haben die Grundregeln des Blatt-Designs von Pflanzen untersucht. In ihrer mathematischen Konstruktion sind die Blätter "wie perfekte Rechenmaschinen", sagte Lawren Sack, Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie und Leiter der Studie. Das Forschungsteam entdeckte die mathematischen Beziehungen durch "algometrische Analysen", mit dieser Analyseart kann man erkennen, wie sich Proportionen von Teilen eines Organismus ändern und wie sie sich in der Gesamtgröße unterscheiden. Dieser Ansatz wurde von Wissenschaftlern seit Zeitens Galileo verwendet, aber noch nie wurde diese Analyse auf das Innere von Blättern angewendet.

In einem Artikel in der Oktober-Ausgabe des American Journal of Botany, zeigten die Biologen auf, wie stark die Blatt - Anatomie zwischen Blättern von verschiedenen Größen variiert. Sie untersuchten dafür Pflanzenarten aus der ganzen Welt. "Sobald man Blätter zwischen den Fingern reibt, spürt man das manche Blätter dünner und elastischer sind, während andere starr und dick sind," sagte Grace John, ein UCLA Doktorand. "Wir begannen mit der einfachsten Frage, die bis jetzt nicht geklärt war: Unterscheiden sich die Zellen von Blättern die dicker und größer sind, von den anderen Blätter. Werden sie aus verschiedenen Typen von Zellen aufgebaut?"

Die Forscher untersuchten Querschnitte die dünner als eine Zelle waren, was es erlaubte, die zugrunde liegende Beziehung zwischen Zell-und Gewebekulturen, die Abmessungen und die Blattgröße der einzelnen Arten zu untersuchen. Blätter bestehen aus drei grundlegenden Gewebestrukturen, die mit unterschiedlichen Zellen, je nach Funktion ausgerüstet sind: die äußere Schicht oder Epidermis, das sogenannte Mesophyll, die Zellen also, welche die Funktion der Photosynthese übernehmen. Gefolgt vom vaskulären Gewebe, deren Zellen Wasser und Zucker transportieren. Je dicker das Blatt, je größer sind die einzelnen Zellen in allen Geweben, außer in dem vaskulären Gewebe. Pflanzliche Zellen, im Gegensatz zu tierischen Zellen, werden von einer Kohlehydrat-Zellwand umgeben. Die Wissenschaftler entdeckten, dass die größeren Zellen der dickeren Blätter durch dickere Zellwände umgeben sind und diese Struktur eine strenge Proportionalität aufweist.

Das Team wurde von der "außerordentlichen" Stärke der Beziehungen zwischen der Verknüpfung Zellgröße, Zellwand- Dicke und Blatt Dicke bei den untersuchten Pflanzen überrascht. Die Verhältnisse können durch einfache mathematischen Gleichungen beschrieben werden, so dass Wissenschaftler nun die Abmessung der Zellen und Zellwände durch die Dicke eines Blattes vorhersagen können. Dies bedeutet, dass wenn ein Blatt eine größere Zelle in einer Gewebestruktur hat auch in anderen Gewebestrukturen größere Zellen zu finden sind, stehen die Zellen in direktem Verhältnis zu einander.

Das Team vermutet, dass diese starken mathematischen Beziehungen von Blatt-Entwicklungen aus wenigen Zellen entsteht, die sich teilen und zwar solange, bis das Blatt sich zur abschließenden Größe entwickelt hat. Da das Licht nicht in so viele Zellschichten eindringen kann, können die Anzahl der Zellen in einem Blatt nicht stark variieren. Der Ausbau der einzelnen Zellen und deren Zellwände erfolgt gleichzeitig und reflektiert die Dicke des gesamten Blattes. Die Möglichkeit nun die innere Anatomie der Blätter von ihrer Dicke her vorherzusagen, kann Hinweise auf die Funktion des Blattes geben. Der Durchmesser des Blattes wirkt sich vermutlich auf die gesamte Photosynthese und die Lebensdauer des Blatts aus.

"Ein kleiner Unterschied in der Dicke erzählt uns mehr über das Layout im Inneren des Blattes als der viel dramatischer Unterschied der Blattoberfläche", sagte John.

"Fundamental Entdeckungen wie diese, unterstreichen die elegante Lösung von natürlichen Systemen", sagte Sack. "Pflanzenanatomie wird oft als langweilig empfunden. Quantitative Entdeckungen beweisen jedoch, wie spannend diese Wissenschaft sein kann. Es gibt viele Eigenschaften von Blättern die wir noch nicht synthetisch nachahmen können", fügt der Forscher hinzu.
Die neuen algometrischen Gleichungen sind ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Gestaltung von Blättern auf zellulärer Ebene.

Quelle: http://www.ucla.edu
Bilder über Mathematische Regeln für das Blatt–Design von Sa 02 Nov, 2013 8:01 Uhr
Blattaufbau.jpg
Bildnachweis: Lawren Sack, Grace John, Christine Scoffoni/UCLA Life Sciences

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