De schoonheid en enorme afmetingen van de reusachtige waterlelie uit het Amazonegebied heeft wetenschappers, architecten en kunstenaars altijd gefascineerd. Hoe het komt dat de bladeren van de lelie zo groot kunnen worden en sterk genoeg zijn om het gewicht van een klein kind te kunnen dragen, was echter een mysterie. Tot nu toe.
Een team van Britse en Franse wetenschappers heeft de mechanica van deze reusachtige bladeren bestudeerd en een netwerk van vertakte, steunbalkachtige nerven gedocumenteerd. Dit netwerk zorgt voor kracht en structurele ondersteuning. Het onderzoek is in februari in Science Advances gepubliceerd. Het zou wat Chris Thorogood, adjunct-directeur van de Botanic Garden & Arboretum van de Universiteit van Oxford, ‘een groot botanisch raadsel’ noemt, kunnen veranderen in een handleiding voor betere technische ontwerpen voor gebouwen en met name drijvende constructies.
Zie ook: Foto's tonen onzichtbare gloed van bloemen
‘Met onze empirische experimenten en wiskundige modellering hebben we aangetoond dat deze bladeren ongekend sterk zijn en een stijve flexibiliteit hebben. Hierdoor kunnen ze heel groot worden’, aldus Thorogood, de hoofdauteur van het onderzoek.
Inspirerende nerven
Van bovenaf lijkt het blad van een waterlelie uit het Amazonegebied op een groot groen bord met een opstaande rand. De bron van zowel de schoonheid als de kracht is alleen van onderaf te zien.
‘Wanneer we de bladeren hier uit de vijver halen en aan het publiek laten zien, staan de mensen versteld van de schoonheid ervan’, zegt Thorogood. ‘Ze zijn ongelooflijk mooi.’
De onderkant van het blad is volledig bedekt met een fractaal netwerk van stekelachtige nerven die vanuit de centrale stengel uitstralen. De hoofdnerven worden dunner en vertakken zich naarmate ze de rand van het blad naderen. Ze worden op regelmatige afstanden doorsneden door andere nerven die concentrische cirkels vormen en uniek zijn voor dit waterleliegeslacht. Het effect is opvallend: een ingewikkeld web van gele nerven tegen het donkergroen van het blad.
De reusachtige lelie werd in 1801 door Britse ontdekkingsreizigers in Zuid-Amerika ontdekt. De plant won snel aan populariteit in het Victoriaanse Engeland, waar ze de geslachtsnaam Victoria kreeg ter ere van de jonge koningin Victoria. De plant werd een symbool van het Britse Rijk.
Lees ook: Flower power! Stimuleer kinderen met een mix van wetenschap en kunst
Maar de plant werd meer dan een symbool toen botanici steeds probeerden deze te kweken. ‘Het werd een obsessie’, schrijft Tatiana Holway in haar boek The Flower of Empire. ‘Enkele van de meest vooraanstaande en ondernemende mannen uit het Victoriaanse tijdperk hielden zich ermee bezig. De poging om deze exoot uit de equatoriale wildernis te halen en in Engeland te kweken werd een epische queeste die de wereld in zijn ban hield.’
De Britse tuinman en architect Joseph Paxton was de eerste die de reuzenwaterlelie met succes wist te kweken. De plant inspireerde hem tot het ontwerp van het Crystal Palace. Deze Londense bezienswaardigheid van gietijzer en glas werd voor de wereldtentoonstelling van 1851 gebouwd (en later door brand verwoest).
‘De natuur was de ingenieur’, zei Paxton in een toespraak voor de Royal Society of Arts in 1850. ‘De natuur heeft het blad voorzien van langs- en dwarsliggers en steunen waardoor ik mij heb laten leiden en die ik in dit gebouw heb toegepast.’
Paxton voelde de sterke punten van de lelie intuïtief aan. Maar nu pas hebben Thorogood en zijn collega’s de mechanische details uitgedokterd.
Het blad op de proef stellen
Gekleed in waadpakken klommen de onderzoekers in de grote verwarmde vijver van de botanische tuin van de universiteit van Oxford. Ze wilden proefondervindelijk meten hoe de bladeren reageren op gewicht.
‘O mijn God, ik heb altijd al in een vijver willen klimmen om tegen een waterlelie te porren’, zegt Finn Box, vloeistofmechanicus aan de Universiteit van Manchester en hoofdauteur van het onderzoek. ‘Het was hartstikke leuk.’
Om een diameter van drie meter te kunnen bereiken, veel groter dan welke andere waterlelie dan ook, moet de waterlelie uit het Amazonegebied sterk zijn. Het groene weefsel tussen de nerven is slechts ongeveer een millimeter dik. Het water waarop het blad drijft, ondersteunt het gewicht. Maar om niet te worden verscheurd of te worden ondergedompeld, moet het blad bestand zijn tegen regenval tijdens een tropische storm of het gewicht van een vogel die eroverheen loopt.
Box: ‘Zodra een blad onder water komt, verliest het zijn plekje aan de oppervlakte waar de fotosynthese plaatsvindt.’
Het geheim van de amazonewaterlelie is het prominente vaatstelsel. Deze biologische innovatie ontbreekt bij kleinere waterlelies. Die lijken op platte schijven met dunne, nauwelijks waarneembare nerven.
Box en zijn collega’s hebben de kracht van de lelie gemeten aan de hand van een reeks stresstests. Eerst maakten ze een meterslang waterlelieblad los van de steel waarmee het in de modder was verankerd en sleepten ze het blad naar de rand van de vijver. Ze vermeden zorgvuldig de scherpe, centimeterlange doornen aan de onderkant van het blad en beschermden het blad tegen knabbelende vissen.
Met een camera legden ze vast in welke mate het blad indeukte en vervormde wanneer ze erop drukten of er een gewicht op legden. Uit deze stresstests bleek dat de bladeren van de waterlelies uit het Amazonegebied aanzienlijk stijver en daardoor sterker zijn dan de kleinere bladeren van andere, meer alledaagse leliesoorten.
Met behulp van computermodellen en een 3D-geprint testmonster testte het onderzoeksteam zijn hypothese over hoe de planten uit het Amazonegebied dit bereiken. De vertakte nerven van de reusachtige lelie zijn zeer dik in het midden en lopen naar de rand van het blad taps toe. De onderzoekers ontdekten dat deze het gewicht van het blad gelijkmatig verdelen. Ze verstijven, ondersteunen het blad en laten dit elastisch terugveren wanneer het wordt vervormd, bijvoorbeeld door de poot van een vogel. Dat gebeurt op een heel efficiënte manier.
Wat is het nut voor de waterlelie en voor ons?
De amazonewaterlelie groeit in delen van het Amazonebekken die in een bepaald seizoen overstromen. De plant heeft ongeveer zes maanden om te groeien voordat het water weer verdwijnt. In die periode kunnen de reusachtige bladeren van de plant het zonlicht optimaal absorberen.
Dankzij de nerven die de bladeren ondersteunen, kan de waterlelie een groter oppervlak voor fotosynthese innemen en hoeft deze tegelijkertijd minder bladeren aan te maken. De eenvoudige bladeren van de veelvoorkomende kleinere lelies kunnen niet zoveel gewicht dragen.
‘Hoe groter het oppervlak, hoe hoger de fotosynthese’, zegt Box. ‘Die verhouding tussen plantmaterie en het vermogen tot fotosynthese is duidelijk belangrijk voor hen.’
De mens heeft al op planten geïnspireerde biomimetische toepassingen ontwikkeld. Zo is klittenband afgeleid van klis en het zelfreinigende oppervlak van lotusbladeren. Dat een groot, drijvend blad tot inzicht kan leiden, is niet zo vergezocht. Niet alleen zouden ontwerpen voor drijvende structuren kunnen worden verbeterd, maar ook nieuwe, kosteneffectieve ontwerpen voor offshore windturbines of zelfs drijvende ‘seasteads’ mogelijk worden. In 2008 ontwierp de Belgische architect Vincent Callebaut op basis van de structuur van het reusachtige lelieblad een drijvende stad: ‘Lilypad – een drijvende ecoplois voor klimaatvluchtelingen.’
‘Misschien kunnen wij ingenieurs zeggen: Hé, heeft iemand ooit gedacht aan vertakkende liggers of liggers met verschillende doorsneden?’ Box: ‘Ik denk dat je wel vooruitgang hebt geboekt wanneer je terug in je eigen wereld moet nadenken over dingen die je in de biologische wereld bent tegengekomen.’
Het idee dat de mens op een dag zonnepanelen gebruikt die rustig drijven op een platform dat is geïnspireerd op waterlelies uit het Amazonegebied om zoveel mogelijk zonlicht op te vangen, net zoals de plant dat al miljoenen jaren doet, heeft iets poëtisch.
‘Het is een vergelijkbaar idee’, zegt Box. ‘Waarom kunnen we dan niet leren van natuurlijke voorbeelden die tot een optimale oplossing zijn geëvolueerd?’
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op nationalgeographic.com
