Als Biene hat man es nicht immer leicht: Nicht alle Pflanzen geben ihre Pollen selbst frei. Manche Blüten muss man zum Vibrieren bringen, damit die Pollen die Staubblätter verlassen. Bestimmte Bienenarten haben dafür eine besondere Technik entwickelt: Sie halten sich an der Blüte fest und erzeugen mit ihrer Flugmuskulatur schnelle Vibrationen. Die Staubblätter werden dadurch kräftig durchgeschüttelt, und der Pollen tritt aus. Dieses Phänomen wird als „Buzz Pollination“ – Vibrationsbestäubung – bezeichnet.

Was dabei allerdings mechanisch gesehen passiert, ist erstaunlich komplex. Buzz Pollination ist viel komplizierter als etwa das Schütteln eines Salzstreuers, der Salzkörner freisetzt. Welche Rolle die mechanischen Eigenschaften der Blüte bei diesem Vorgang haben, war bisher nicht verstanden. In einem kooperativen FWF Projekt mit der Uni Wien hat ein Team der TU Wien nun untersucht, wie komplex geformte Staubblätter auf die Schwingungen der Bienen reagieren. Entscheidend ist nicht nur, wie rasch und wie stark eine Blüte schwingt, sondern auch, wie sich ihre einzelnen Teile gegeneinander bewegen.

Unterschiedliche Frequenzen – unterschiedliche Bewegungsmuster

Je nachdem, mit welcher Schwingungsfrequenz man ein Objekt zum Vibrieren bringt, kann es in ganz unterschiedliche Bewegungsarten versetzt werden. Man kennt das etwa von einer Waschmaschine: Bei einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit macht sie großen Lärm oder bewegt sich von der Stelle, bei einer etwas höheren oder etwas niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit ist dieser Effekt plötzlich weg.

„Das kann zum Beispiel daran liegen, dass sich unterschiedliche Teile des Objekts bei bestimmten Frequenzen gemeinsam bewegen, bei anderen Frequenzen genau gegeneinander“, sagt Siyang Zhou, Doktorandin am Institut für Mechatronik und Leistungselektronik (MPEI) der TU Wien. „Genau das passiert auch mit den Staubblättern der tropischen Pflanze Medinilla magnifica. Wenn man sie mit unterschiedlichen Frequenzen anregt, reagiert sie sehr unterschiedlich.“

Maßgeschneiderte mechatronische Instrumente 

Bisherige biomechanische Untersuchungen zur Buzz Pollination konzentrierten sich häufig auf Pflanzen der Gattung Solanum, zu der etwa die Tomate gehört. Ihre Staubblätter sind vergleichsweise gerade und steif und verhalten sich mechanisch ungefähr wie ein starrer Körper, der sich auf und ab bewegt.

Bei Medinilla magnifica, die nun untersucht wurde, ist die Situation deutlich komplizierter. Das Staubblatt der Blüte, das für die Pollenfreisetzung entscheidend ist, besteht aus mehreren Teilen: dem Staubfaden, auch Filament genannt, und dem gekrümmten Staubbeutel (Anthere), an dessen Spitze die Pollen durch eine kleine Öffnung ins Freie gelangen können.

Um zu untersuchen, wie sich diese Staubblätter bewegen, entwickelte das Team einen speziellen experimentellen Prüfstand mit einem kleinem elektromechanischen Shaker. Darauf wurden einzelne Staubblätter befestigt und mit sinusförmigen Bewegungen angeregt. Ein Laser-Liniensensor misst dann die Bewegung an unterschiedlichen Positionen.

Auf diese Weise misst man nicht nur, wie stark die Schwingung ist, sondern auch die Schwingungsphase der einzelnen Staubblatt-Bereiche: Schwingen sie alle synchron? Oder leicht verschoben zueinander? Oder sogar genau entgegengesetzt? Die Messergebnisse wurden anschließend mit unterschiedlichen Rechenmodellen verglichen: Mit einem detaillierten Finite-Elemente-Modell und einem vereinfachten mechanischen Mehrkörpermodell.

Ingenieurwissenschaftliche Methoden für biologische Erkenntnisse

„Die Untersuchungen zeigen, dass das Staubblatt von Medinilla magnifica unterhalb von rund 1000 Hertz drei charakteristische Resonanzen besitzt“, erklärt Siyang Zhou. Die zweite dieser Resonanzen liegt genau in dem Frequenzbereich von 100 bis 400 Hertz, mit dem Bienen die Blüten normalerweise zum Vibrieren bringen. Die erste liegt knapp darunter, eine dritte deutlich darüber.

Je nach Frequenz können verschiedene Bereiche stark unterschiedliche Bewegungen ausführen. Bei bestimmten Frequenzen bewegen sich Filament und Anthere sogar gegeneinander. Oberhalb der zweiten Resonanz kann sich die Spitze der Anthere in die entgegengesetzte Richtung zum restlichen Staubblatt bewegen.

„Das zeigt, dass die mechanische Reaktion der Blüte deutlich komplexer ist als ein einfaches Hin- und Herschwingen und die Anwendung mechatronischer Methoden einen deutlichen Erkenntnisgewinn in anderen Wissenschaftsfeldern ermöglichen kann“, sagt Ernst Csencsics, Projektleiter am MPEI. Das legt nahe, dass für die Pollenfreisetzung nicht nur entscheidend ist, wie stark die Schwingung ist, sondern auch, zu welchen Verformungsmustern (Mode Shapes) sie führt.

Die Ergebnisse legen damit nahe, dass bei der Buzz Pollination nicht nur die Stärke und Frequenz der Vibration entscheidend sein könnte, sondern auch die Geometrie des Staubblatts. Unterschiedlich gebaute Blüten könnten die Schwingungen der Bienen auf unterschiedliche Weise in interne Verformungen übersetzen – und damit auch die Freisetzung der Pollen beeinflussen.

Rückfragehinweis

Siyang Zhou, MSc
Institut für Mechatronik und Leistungselektronik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 369122
siyang.zhou@tuwien.ac.at

Prof. Ernst Csencsics
Institut für Mechatronik und Leistungselektronik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 369124
ernst.csencsics@tuwien.ac.at

Text: Florian Aigner