Stellen Sie sich vor, Sie sind ein kleiner Kakaobaum, der gerade seine ersten zaghaften Wurzeln in fruchtbaren, einladenden Boden ausbreitet.
Irgendwo in der Nähe regt sich ein Raubtier. Er hat weder Ohren, um dich zu hören, noch Augen, um dich zu sehen. Aber es weiß, wo Sie sich befinden, zum Teil dank des schwachen elektrischen Feldes, das von Ihren Wurzeln ausgeht.
Es ist mikroskopisch klein, aber es ist nicht das einzige. Zu Tausenden kommen die Kreaturen zusammen und kriechen, angetrieben von ihren Flagellen, durch den wassergetränkten Boden. Wenn sie dich erreichen, dringen sie mithilfe von Pilzhyphen in dich ein und fressen dich von innen heraus. Sie kommen näher. Du bist eine Pflanze. Du hast keine Beine. Es gibt kein Entrinnen.
Doch kurz bevor sie über dich herfallen, zögern sie. Sie scheinen verwirrt zu sein. Dann fliehen sie massenhaft in eine andere Richtung, angezogen von einem attraktiveren elektrischen Feld. Du bist in Sicherheit. Und sie werden bald tot sein.
Wenn Eleonora Moratto und Giovanni Sena ihren Fall gewinnen, ist dies die Zukunft der Bekämpfung von Pflanzenpathogenen.
An der globalen Nahrungsmittelkrise sind viele Variablen beteiligt, aber zu den schlimmsten gehören Schädlinge, die Nahrungspflanzen vernichten und bis zu 40 Prozent ihres Ertrags vernichten, bevor sie geerntet werden können. Einer von ihnen, der kleine Protist im obigen Beispiel, ein Oomycet, offiziell bekannt als Phytophthora palmivora—hat einen milliardenschweren Appetit auf Rohstoffe wie Kakao, Palmöl und Kautschuk.
Derzeit gibt es keine chemische Abwehr, die diese Lebewesen besiegen kann, ohne den Rest der im Boden lebenden (oft nützlichen) Organismen zu vergiften. Moratto, Sena und ihre Kollegen in Senas Gruppe am Imperial College London entschieden sich daher für einen nicht-traditionellen Ansatz: Sie nutzten aus P. palmivoradie elektrische Bedeutung von , die usurpiert werden kann.
Alle bisher gemessenen Pflanzenwurzeln erzeugen einen Fluss externer Ionen, der zu einem sehr schwachen elektrischen Feld führt. Jahrzehntelange Beweise deuten darauf hin, dass dieses Signal ein wichtiges Ziel für die Navigationssysteme von Raubtieren ist. Es bleibt jedoch umstritten, inwieweit sich ihre Feinde auf die elektrischen Signaturen der Pflanzen verlassen, um sie zu lokalisieren, und nicht auf chemische oder mechanische Informationen. Letztes Jahr entdeckte Morattos und Senas Gruppe das P. palmivora Sporen werden von der positiven Elektrode einer Zelle angezogen und erzeugen Stromdichten von 1 Ampere pro Quadratmeter. „Die Sporen folgten dem elektrischen Feld“, sagt Sena und deutet an, dass ein ähnlicher Mechanismus ihnen dabei hilft, natürliche bioelektrische Felder zu erkennen, die von Bodenwurzeln ausgesendet werden.
Dies veranlasste die Forscher zu der Frage: Könnte ein solches künstliches elektrisches Feld die anderen sensorischen Eingaben der Protisten außer Kraft setzen und ihren Kompass verwirren, während sie versuchten, die viel geringere elektrische Ausgabe von Pflanzenwurzeln zu nutzen?
Um diese Idee zu testen, entwickelten die Forscher zwei Möglichkeiten, Pflanzenwurzeln mithilfe eines konstanten vertikalen elektrischen Feldes zu schützen. Sie bauten zwei gemeinsame Snacks an P. palmivora—eine mit Kohl und Senf verwandte Blütenpflanze und eine Hülsenfrucht, die häufig als Viehfutterpflanze verwendet wird, in Röhren in einer Hydrokulturlösung.
Es wurden zwei elektrische Feldkonfigurationen getestet: ein „globales“ vertikales Feld (links) und ein Feld, das von zwei kleinen, nahegelegenen Elektroden erzeugt wird. Das globale Feld erwies sich als etwas effektiver.Eleonora Moratto
Im ersten Versuch schlossen die Forscher Pflanzenwurzeln zwischen Elektrodenreihen oben und unten ein und hüllten sie vollständig in ein „globales“ vertikales Feld ein. Beim zweiten Satz wurde das Feld mit zwei kleinen Elektroden erzeugt, die sich in geringer Entfernung von der Anlage befanden, wodurch Stromdichten in der Größenordnung von 10 A/m erzeugt wurden.2. Dann ließen sie die Protisten frei.
Bei der Kontrollgruppe gelang es beiden Methoden, einen erheblichen Teil der Raubtiere von den Pflanzenwurzeln abzulenken. Sie drangen in die positive Elektrode ein und da Zoosporen ohne Wirt nicht länger als 2 bis 3 Stunden überleben können, verhungerten sie wahrscheinlich. Oder noch schlimmer. Neil Gow, dessen Forschung einige der ersten Beweise für die Elektrotektierung von Zoosporen lieferte, hat andere Theorien über ihr Schicksal. “Angelegte elektrische Felder erzeugen aufgrund der Wasserelektrolyse giftige Produkte und steile pH-Gradienten in der Nähe und um die Elektroden“, erklärt er. „Auf den Tropismus in Richtung der Elektrode könnte eine Zerstörung oder Immobilisierung aufgrund induzierter pH-Gradienten folgen.“
Die Technik verhinderte nicht nur einen Befall, sondern einige Daten deuten darauf hin, dass sie auch bestehende Infektionen lindern könnte. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse im August Wissenschaftliche Berichte.
Das globale elektrische Feld war etwas erfolgreicher als das lokale elektrische Feld. Allerdings wäre es schwieriger, Laborbedingungen in einen (wörtlichen) Feldtest im Boden zu übertragen. Die lokale elektrische Feldkonfiguration ließe sich leicht nachbilden: „Sie müssen lediglich den kleinen Stecker in den Boden neben der Pflanze pflanzen, die Sie schützen möchten“, sagt Sena.
Laut Moratto und Sena handelt es sich dabei um einen Proof of Concept, der die Grundlage für eine neue, pestizidfreie Methode zum Schutz von Nahrungspflanzen aufzeigt. (Sena vergleicht diese Technik mit Täuschkörpern, die von Kampfjets verwendet werden, um ankommende Raketen abzuwehren, indem sie Signale vom ursprünglichen Ziel nachahmen.) Sie suchen nun nach Mitteln, um das Projekt zu erweitern. Der erste Schritt besteht darin, die lokale Konfiguration im Boden zu testen. Der nächste Schritt besteht darin, den Ansatz zu testen Phytophthora infestans, ein gemeinerer, gruseligerer Cousin von P. palmivora.
P. infestans greift eine abwechslungsreichere Ernährung mit Nutzpflanzen an – Sie kennen vielleicht seine Arbeit während der irischen Kartoffelhungernot. Die großen genetischen Ähnlichkeiten deuten auf einen weiteren vielversprechenden Kandidaten für die elektrische Schädlingsbekämpfung hin. Für diese Untersuchung sind jedoch möglicherweise weitere Mittel erforderlich. P. infestans Forschung kann nur unter strengeren Laborsicherheitsprotokollen durchgeführt werden.
Imperials Arbeit passt in die breitere – und etwas brisante – Debatte um die elektrostatische Ökologie; Das heißt, inwieweit Lebewesen, darunter auch Zecken, bisher wenig verstandene elektrische Mechanismen nutzen, um sich zu orientieren und auf andere Weise ihr Überleben zu verbessern. „Den meisten Menschen ist noch nicht bewusst, dass natürlicher Strom eine ökologische Rolle spielen kann“, sagt Sam England, Verhaltensökologe am Naturkundemuseum Berlin. „Ich denke also, dass diese elektrischen Phänomene, sobald sie besser bekannt und verstanden werden, zu weiteren praktischen Anwendungen wie dieser inspirieren werden.“
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