Biomechanik: Wie Insekten an Oberflächen haften

Manche Ameisen können sich mit so extremen Haftkräften an glatten Oberflächen festhalten wie sonst kein anderes Insekt – diesen Weltrekord hat Dr. Walter Federle vom Biozentrum der Universität Würzburg im Sommer 2000 publik gemacht. Nun will der Zoologe weiter erforschen, wie Insekten an Pflanzenoberflächen haften. Dafür hat er ein Stipendium von der Deutschen Forschungsgemeinschaft erhalten, das ihm die Leitung einer selbstständigen Nachwuchsgruppe ermöglicht.

Dr. Federle trachtet danach, Biomechanik und Ökologie miteinander zu verbinden. Sein Projekt hat zudem einen anwendungsbezogenen Hintergrund, denn die Strukturen und Funktionsprinzipien aus der Natur können als Vorbilder für innovative technische Entwicklungen dienen.

So ist der Laufvorgang bei Insekten zum Beispiel für die Entwicklung von beweglichen Robotern von großem Interesse. Hierbei ist neben der Steuerung der Motorik und der Reaktion auf die Außenwelt auch die Herstellung möglichst stabiler Reibungs- oder Haftkontakte auf verschiedenen Oberflächen wichtig. Was den letzten Punkt angeht, so können viele Insekten als „evolutionär optimierte Vergleichsmodelle“ betrachtet werden: Sie besitzen eine Haftfähigkeit auf glatten und rauen Oberflächen sowie eine erstaunliche Fähigkeit, die Haftkraft nach Bedarf zu kontrollieren. Sie haben Haftorgane, die sich an die Oberflächenbeschaffenheit anpassen können, und nutzen zudem einen einfachen Bewegungsmechanismus.

Dr. Federle: „Keine technische Hafteinrichtung kann bislang vergleichbare Eigenschaften erreichen. Doch trotz dieses Potenzials sind die Bewegungsmechanismen, mit denen Insekten stabile, aber auch schnell wieder lösbare Haftverbindungen herstellen können, immer noch unbekannt.“ Daher will der Würzburger Wissenschaftler im ersten Teil seines Forschungsvorhabens den Haftmechanismus experimentell-physikalisch aufklären. Außerdem sollen Bau und Funktion der Insektenhaftorgane und deren Bewegungsmechanismen analysiert werden.

Für später ist vorgesehen, das Projekt in einen breiten ökologischen Kontext zu stellen. Dr. Federle will dann die Biomechanik von ausgewählten Insekten-Pflanzen-Wechselbeziehungen untersuchen. Denn die Fähigkeit von Insekten, auf glatten Oberflächen zu haften, stellt eine grundlegende Anpassung an das Leben auf Pflanzenoberflächen dar.

Viele Pflanzenarten verfügen über spezielle Oberflächen, die selbst für Insekten mit Haftorganen nur schwer begehbar sind. Sie sind entweder klebrig durch Drüsenhaarsekrete, schmierig durch flüssige Gleitfilme oder besonders rutschig durch einen Wachsüberzug. Mit letzterer Strategie arbeiten viele tropische Macaranga-Bäume, für die sich Walter Federle besonders interessiert. Nur ganz bestimmte Ameisen, die sich auf eine Partnerschaft mit diesen Bäumen spezialisiert haben, können sich mühelos auf den rutschigen Oberflächen festhalten und fortbewegen.

Dieses Beispiel zeigt laut Dr. Federle die Vorteile der Kombination von Biomechanik und Ökologie auf: Würde man die Biomechanik des Systems Macaranga-Wachsläufer nicht kennen, dann bliebe die Ökologie vieler Pflanzen- und Ameisenarten vollkommen unverständlich. Andererseits sei erst durch die ökologische Analyse ein neuartiger, biomechanischer Mechanismus von allgemeinem Interesse zugänglich geworden. Durch den Vergleich der Wachsläufer mit anderen Ameisen, denen diese Fähigkeit fehlt, könnten Erkenntnisse gewonnen werden, die einem rein biomechanisch arbeitenden Experimentator unzugänglich wären.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt die Arbeiten von Dr. Federle im Rahmen ihres Emmy Noether-Programms. Dieses soll laut DFG besonders qualifizierten Nachwuchswissenschaftlern einen Weg zur frühen wissenschaftlichen Selbstständigkeit eröffnen. Dazu wird es den Geförderten unmittelbar nach der Promotion ermöglicht, einen Forschungsaufenthalt im Ausland zu absolvieren und dann eine eigenverantwortliche Forschungstätigkeit im Inland zu beginnen, die mit der Leitung einer eigenen Nachwuchsgruppe verbunden ist. Letzten Endes sollen die jungen Wissenschaftler so die Voraussetzungen für eine Berufung als Hochschullehrer erlangen.

Weitere Informationen: Dr. Walter Federle, T (0931) 888-4318, Fax (0931) 888-4309, E-Mail: federle@biozentrum.uni-wuerzburg.de