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Wenn Wurzeln knacken und Würmer knirschen

Die neue Methode öffnet der Wissenschaft Fenster zum Boden. "Wir können zum Beispiel erfahren, wann wurzeln wachsen", sagt Dani Or.
Die neue Methode öffnet der Wissenschaft Fenster zum Boden. "Wir können zum Beispiel erfahren, wann wurzeln wachsen", sagt Dani Or. Bild: Colourbox

Wurzeln kann man beim Wachsen «zuhören» - und Würmern beim Graben. Forschende der ETH Zürich und des französischen «Institut national de la recherche agronomique» präsentieren eine neue Methode zur Bodenanalyse.

Gesunder Boden lebt – dieser Grundsatz gilt für natürliche wie bewirtschaftete Erdböden. Was unter der Erde geschieht, bleibt Forschenden aber immer noch zum grossen Teil verborgen. Dabei wäre mehr Wissen darüber wichtig, um Zusammenhänge in diesem Ökosystem besser zu verstehen.
Messbare Geräusche

Was man nicht sehen kann, kann man vielleicht hören – mit dieser Idee haben Forschende der ETH Zürich und des französischen «Institut national de la recherche agronomique» (INRA) verschiedene Erdböden mit piezoelektrischen Sensoren auf akustische Emissionen untersucht.

Das Resultat: Wenn Wurzeln wachsen oder Erdwürmer Tunnel graben, verursachen sie Geräusche. Diese lassen sich eindeutig auf das Wurzelwachstum und die Aktivität der Würmer zurückführen. Das belegt die Studie von Marine Lacoste vom INRA sowie Siul Ruiz und Dani Or vom Institut für Biogeochemie und Schadstoffdynamik der ETH Zürich.

Den Boden auszuhorchen öffne der Wissenschaft ein neues Fenster, sagt ETH-Professor Or: «Wir können so zum Beispiel erfahren, wann Wurzeln wachsen. Wir wussten bisher nicht, ob es tagsüber, in der Nacht, bei feuchtem oder bei trockenem Boden geschieht. Mit der neuen Methode können wir das relativ einfach an Ort und Stelle aufzeichnen – ohne zu graben». Die Forschenden haben erstmals gezeigt, dass sich biologische Aktivität im Erdboden mit akustischen Sensoren messen lässt.

Um die Hypothese zu prüfen, haben sie visuelle Beobachtungen mit akustischen Messungen verglichen. Dazu verwendeten sie mit sandiger Erde gefüllte Glaszellen: In eine säten sie Mais und liessen ihn Wurzeln treiben. In der anderen haben sie einen Erdwurm in feinkörnigem Lehm Tunnel graben lassen. Piezoelektrische Sensoren registrierten akustische Emissionen: elastische Wellen mit einer Frequenz von 1 bis 100 Kilohertz. Solche Wellen entstehen beispielsweise, wenn sich kleine Körner bewegen oder aneinander reiben – oder wenn in der Erde kleine Risse entstehen. Für das menschliche Ohr sind die Wellen nicht hörbar.

Nach sieben (Erdwurm), respektive neunzehn Tagen (Wurzeln) haben die Forschenden das beobachtete Wurzelwachstum und die gegrabenen Tunnel mit den registrierten Geräuschen korreliert – sie stimmten in hohem Masse überein. Kontrollmessungen aus Zellen nur mit Erde haben bestätigt, dass die Geräusche von den Wurzeln und den Würmern stammen.

Wann wachsen Wurzeln und wieviele?

Dani Or hat in Böden bereits erfolgreich nach akustischen Vorboten für Erdrutsche gesucht. Dabei hat er gelernt, verschiedene akustische Emissionen voneinander zu unterscheiden und zu deuten. Er sagt: «Die Geräusche im Boden sind sehr leise. Aber sie weisen eine gewisse Signatur auf, so dass sie sich einer bestimmten Quelle zuweisen lassen. Würmer etwa bewegen sich viel schneller als Wurzeln, zugleich sind ihre akustischen Emissionen viel punktueller.»

Er erhofft sich, mit der neuen Methode später auch quantitative Aussagen machen zu können – etwa darüber, wie viele Wurzelspitzen gleichzeitig wachsen und wie schnell. Nicht zuletzt könnte die Methode Aufschluss über das Zusammenspiel von Erdwürmern und Wurzelwachstum und über die Bildung von Bodenstrukturen geben.

Nächster Schritt: Feldversuch

Mit der Studie haben die Forschenden gezeigt, dass sich biologische Aktivitäten im Erdboden akustisch messen lassen. Sie taten dies jedoch unter Laborbedingungen. Als nächstes brauche es nun Forschung dazu, in welchen Situationen die Methode tauge und wie sie sich im Feld bewährt. Ein erster Vorversuch war bereits erfolgreich: Die Forschenden liessen Pflanzen in einer Erdsäule wachsen – und konnten auch so das Wurzelwachstum akustisch messen. Für die Zukunft kann sich Or gut vorstellen, dass seine Methode auch beim Bauern auf dem Feld zum Einsatz kommt: Als Ergänzung zu anderen Mitteln der Bodenanalyse.

ETH Zürich


Originalpublikation:

Lacoste M, Ruiz S, Or D: Listening to earthworms burrowing and roots growing - acoustic signatures of soil biological activity. Scientific Reports, Online, 6. Juli 2018, doi: 10.1038/s41598-018-28582-9

https://doi.org/10.1038/s41598-018-28582-9