Forschung mit Biss

Wie stark können Insekten zubeißen?

Wer über einen kräftigen Kauapparat verfügt, kann härtere Nahrung zerkleinern und auch besser im Kampf gegen Feinde bestehen. Biologen der Universität Bonn stellen nun ein mobiles System (forceX) zur Messung der Beißkräfte von kleinen Tieren einschließlich der Auswertungs-Software (forceR) vor. Damit wird es möglich nachzuvollziehen, wie Beißkräfte, zum Beispiel von Insekten, in Abhängigkeit von der Umwelt evolvierten. Die finale Fassung ist nun im Journal “Methods in Ecology and Evolution” veröffentlicht.

Die Gottesanbeterin zappelt ein wenig in der Hand des Wissenschaftlers. Als sich das Insekt dem Sensor nähert, beißt es zur Abwehr auf die beiden Metallplättchen, die den Druck auf einen Piezokristall übertragen. Der Kristall erzeugt kraftabhängig eine Spannung, die über einen Verstärker auf ein Laptop übertragen wird. Auf dem Bildschirm entstehen Kurven, die teils steil ansteigen und zuckend ein Plateau erreichen, bevor sie wieder auf den Nullwert absinken. Manchmal sind Auf- und Abstieg auch flacher – je nachdem wie schnell sich das jeweilige Insekt der Maximalkraft beim Zubeißen annähert.

Kaum Daten zur Beißkraft

“Wie stark Insekten zubeißen können, dazu liegen kaum Daten vor”, berichtet Peter Rühr, Doktorand am Institut für Evolutionsbiologie und Ökologie der Universität Bonn. Mit ihrem Sensorsystem “forceX” wollen die Wissenschaftler untersuchen, wie sich Kiefer, Muskulatur und die Kopfform von Insekten evolutiv an die Herausforderungen ihrer jeweiligen Umgebung angepasst haben. “Nicht für jedes Insekt ist es vorteilhaft, stark zubeißen zu können, da hohe Beißkräfte auch mit höheren energetischen Kosten für das Tier einhergehen”, sagt Rühr. Die Beißkraft kann etwa davon abhängen, welche Nahrung ein Insekt zu sich nimmt oder ob es die Kiefer zur Verteidigung braucht.

Das Team um Prof. Dr. Alexander Blanke, der einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) eingeworben hat, entwickelte bestehende Systeme zur Messung von Beißkräften weiter. In der Messanordnung der Forscher der Universität Bonn dient ein Binokular – ähnlich einer starken Lupe – dazu zu erkennen, ob die Kiefer des zu untersuchenden Insekts an der richtigen Stelle mit den Metallplättchen des Aufbaus in Berührung kommen. Das untere Plättchen ist unbeweglich, während das obere über eine Wippe die Kraft auf den Sensor überträgt.

Flexible Anpassung an die Kiefergröße möglich

“Je nach Größe und Öffnungswinkel der Kiefer verwenden wir unterschiedlich große Beiß-Plättchen, die sich austauschen lassen”, erläutert Rühr die Weiterentwicklung. “Damit lässt sich der Sensor über eine relativ große Spannweite auf die jeweiligen Erfordernisse der Tiere einstellen.” Das komplette System ist akkubetrieben und damit mobil für Messungen einsetzbar – auch in der “freien Wildbahn”.

Für stechende Insekten nutzen die Wissenschaftler eine Halterung aus Kunststoff. In der Hülse verschwinden die Tiere vollständig, nur der Kopf mit den Mundwerkzeugen ragt vorne aus einem kleinen Loch heraus. Rühr: “Damit können wir die Insekten besser positionieren, ohne sie in der Hand halten zu müssen.” Meist lassen sich die Tiere nicht lange überreden, bis sie zubeißen. Sie fühlen sich in der fremden Umgebung unwohl und wehren sich mit Abwehrbissen. Bleibt dieses instinktive Verhalten aus, streichen ihnen die Forschenden mit einem zarten Pinsel über den Kopf – spätestens dann schließen die Insekten ihre Kiefer.

Hohe Genauigkeit der Messung

Für die Veröffentlichung in “Methods in Ecology and Evolution” haben die Forscher die Genauigkeit des Systems bestimmt: Hierfür beschwerten sie das bewegliche Metallplättchen mit unterschiedlichen Gewichten von einem Gramm bis fast einem Kilogramm. Insgesamt 1.600 Wiederholungen zeigen, dass die Abweichung zwischen den Messungen maximal 2,2 Prozent beträgt. “Das ist sehr exakt”, sagt Rühr. Mit dem System lassen sich etwa auch die Kräfte von Skorpions- oder Krebsscheren messen.

Rühr und Blanke haben das System während ihrer Zeit an der Universität zu Köln unter anderem mit der dortigen Feinmechanikwerkstatt gebaut. An der Universität Bonn haben es beide weiter optimiert und die Genauigkeits-Messungen durchgeführt. Mit dazu gehört auch die Software “forceR”, mit der sich die Beißkraftwerte und die Form der Bisskurven detailliert auswerten und vergleichen lassen. Auf den Markt bringen wollen die Wissenschaftler das Beißkraftsensorsystem nicht. “Die in `Methods in Ecology and Evolution´ vorgestellten Ergebnisse stellen vielmehr die Grundlage für Nachbauten dar”, sagt Rühr. Wesentliche Teile des Sensors lassen sich nach dieser Vorlage sogar am 3D-Drucker nachbilden.

Beteiligte Institutionen und Förderung:

Über die Universität Bonn hinaus war die Universität zu Köln beteiligt. Förderer sind der European Research Council (ERC) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Peter Rühr
Institut für Evolutionsbiologie und Ökologie
Universität Bonn
Tel. +49-(0)228/735115
E-Mail: ruehr@uni-bonn.de

Originalpublikation:

Peter T. Rühr, Alexander Blanke: forceX and forceR: a mobile setup and R package to measure and analyse a wide range of animal closing forces, “Methods in Ecology and Evolution”, DOI: 10.1111/2041-210X.13909; URL: https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/2041-210X.13909

Weitere Informationen:

Video: be/UE7lCJ-BbPg

Mehr Bilder: https://www.uni-bonn.de/de/neues/132-2022