Biomechanische Untersuchungen an ausgewählten Arten der Unterfamilie Cactoideae zur Analyse des lastadaptiven Wachstum

von Phuong Linh Do (18, Sächs. Landesgymnasium St. Afra zu Meißen)

Kategorie: Biologie 2011
Betreuer: René Bergner (Sächs. Landesgymnasium St. Afra zu Meißen)
Wettbewerbsart: Jugend forscht

Gewonnene Preise:
  • Landessieger(Interdisziplinär)
  • Sonderpreis "ZfP-Sonderpreis der DGZfP e.V." im Landeswettbewerb
  • Regionalsieger

Kakteengewächse sind, aufgrund ihrer besonderen morphologischen und anatomischen Anpassung an ihre häufig ungünstigen Umweltbedingungen, wie große Temperaturschwankungen und Wasserknappheit, ein beliebtes Untersuchungsobjekt in der Botanik.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Biomechanik ausgewählter Vertreter der Unterfamilie Cactoideae. Die Arbeit entstand im Rahmen eines Forschungsprojekts zur Erforschung der Biomechanik von Säulenkakteen an der Technischen Universität Dresden und knüpft an eine vorangegangene Untersuchung1 an und wird der Grundlagenforschung zuegordnet. Diese Arbeit wird einen kleineren spezielleren Teil thematisieren. Ziel dieser Arbeit ist es, die Anpassung der Stabilität durch den Leitgewebszylinder, der verholzten Struktur des Leitgewebes, zu untersuchen. In diesen Untersuchungen wird die Stabilität über die Biegesteifigkeit, Zugsteifigkeit und E-Moduln  definiert. Durch biomechanische Untersuchungen an drei verschiedenen Wuchsformen - aufrecht-stehend, hängend-kletternd, niederliegend-kriechend - der Cactoideae wird die Stabilität messbar, sodass unter den Arten ein Vergleich gezogen werden kann. Hypothesen werden aus der morphologischen und anatomischen Betrachtung gewonnen, wobei die mikroskopische Betrachtung der Sprossachse in dieser Arbeit nicht thematisiert wird. Die biomechanischen Untersuchungen werden in Form von Dreipunktbiegeversuchen und Zugversuchen durchgeführt.
Aus den ermittelten Werten konnten schlussendlich die Hypothesen, die zuvor formuliert wurden, bestätigt werden. Die höchsten Werte für Biegesteifigkeit, Zugsteifigkeit und E-Modul konnten bei den Arten der aufrecht-stehenden Wuchsform nachgewiesen werden, da sie durch ihre Wuchsform bedingt, wohl der größte Herausforderung gestellt sind. Denn diese Arten, die bis zu acht Meter groß werden, benötigen einen stabilen Halt. Die Art der niederliegend-kriechenden Wuchsform verhält sich ähnlich der aufrecht-stehenden Kakteen, weicht in den Werten natürlich mit größerem Abstand von den Standkakteen ab, da sie aufliegen und daher die Aufgabe, ihr Gewicht zu stemmen, in gewisser Weise hinfällig ist. Die zwei Arten der hängend-kletternden Kakteen wiesen zwei sehr ähnliche Ergebnisse auf, womit das gleiche Verhalten innerhalb einer Wuchsform bestätigt werden kann. Dazu konnte ermittelt werden, dass hängend-kletternde Kakteen im Gegensatz zu den Standkakteen eine geringere Biegesteifigkeit aufweisen. Dies lässt sich mit ihrer Anpassung der Wuchsform erklären. Als kletternde und rankende Pflanze ist es notwendig flexibel zu bleiben. Dies wäre mit einer hohen Biegesteifigkeit jedoch nicht möglich, wenn nicht sogar hinderlich.
Die hängend-kletternden Arten werden häufiger Zugbeanspruchung ausgesetzt, da allein durch die Schwerkraft die herunter hängenden Triebe stets in Sprossrichtung zum Boden „hingezogen“ werden. Bei Standkakteen konnte in den Versuchen eine Doppelbelastung festgestellt werden. Bei den Versuchen der Biegesteifigkeit konnte auf der entgegengesetzten Seite der Druckwirkung eine Zugbeanspruchung erkannt werden. Standkakteen sind daher natürlicherweise stets zeitgleich von beiden Arten der Beanspruchung gefordert, womit die hohen Werte in den Versuchen erklärt werden können. Kriechende Kakteen sind meist von Druckbeanspruchung, selten von Zugbelastung betroffen. Es wird vermutet, dass die Last vertikal auf die kriechenden Kakteen wirkt, weswegen der Leitgewebszylinder auch im oberen Abschnitt des Querschnitts zu sehen war.
Zusammenfassend konnte mit dieser Arbeit die artspezifischen Anpassungen von Cactoideae an die Umwelt festgestellt und erläutert werden. Die Arbeit ist ein Beweis dafür, wie speziell die Natur aufeinander abgestimmt ist und stellt ein kleines spezielles Thema in einem interessanten und weitreichenden Themenbereich dar.

Biomechanische Untersuchungen an ausgewählten Arten der Unterfamilie Cactoideae zur Analyse des lastadaptiven Wachstum