Faszinierende Flexi-Flügel

 Hummel, Credit: Thinkstock
Hummel, Credit: Thinkstock
Dicke Brummer, voll beladen mit Nektar und Pollen – dennoch heben sie ab: Die aerodynamischen Eigenschaften von Hummeln faszinieren Forscher schon lange. Nun haben US-Biologen durch kuriose Experimente nachgewiesen, was hinter der enormen Hubkraft der pummeligen Insekten steckt: die Flexibilität ihrer Flügel. Kuriose Hebe-Tests zeigten, dass Hummeln mit Versteifungen im Flügel etwa zehn Prozent weniger Auftriebskraft entwickeln.
Es war bereits bekannt, dass Insektenflügel keine starren Gebilde sind und dass sie sich während des Fliegens durch den Luftwiderstand leicht verbiegen. Welche aerodynamischen Effekte dies mit sich bringt, ist allerdings noch weitgehend unklar. Einige theoretische Modelle kamen bereits zu dem Ergebnis, dass steife Flügel eigentlich bessere Auftriebseigenschaften haben müssten als flexible. Doch die Natur scheint zu einem anderen Ergebnis gekommen zu sein: Einige Insekten einschließlich der Hummel besitzen in der Gerüststruktur ihrer Flügel eine Art Gelenk. Es enthält viel sogenanntes Resilin - ein Eiweiß mit Gummi-Eigenschaften. An dieser Stelle biegt sich der Flügel beim Fliegen deshalb besonders stark. Die Bedeutung dieses Elements im Flügel der Hummel haben Andrew Mountcastle und Stacey Combes von der Harvard University nun erstmals direkt an lebenden Tieren untersucht.

Sie bauten dazu sieben Hummeln ein winziges Versteifungselement in das Resilin-Gelenk des Flügels ein. Bei sieben anderen Tieren setzten sie es dagegen an eine Stelle knapp daneben, um bei den Experimenten ausschließen zu können, dass Beeinträchtigungen durch die Manipulation auftreten, auch wenn die Flexibilität der Flügels nicht betroffen ist. Mit diesen Versuchstieren und naturbelassenen Hummeln führten die Forscher nun Hebe-Versuche durch. Die Insekten wurden durch Kälte betäubt, dann banden die Biologen ihnen einen feinen Faden um die Körpermitte, an dem in bestimmten Abständen Perlen hingen. Nachdem die Hummeln wieder voll bei Kräften waren, sollten sie nun ihre Hebeleistung unter Beweis stellen.

Versteifte Flügel und Perlenketten als Test-Last

Die Forscher ließen sie dazu in einem Versuchsraum starten und dokumentierten den Ablauf detailliert mittels Zeitlupenaufnahmen: Die Insekten hoben langsam ab und zogen dabei nach und nach den Faden samt der portionierten Perlenlast mit in die Luft. So konnten die Forscher feststellen, bei welchem Gewicht die Hubkraft der Brummer erschöpft war und sie keine weiteren Perlen mehr anheben konnten. Ergebnis: Mit der Versteifung im Resilin-Gelenk war die Auftriebskraft um etwa zehn Prozent geringer als bei den Kontroll-Tieren oder den Insekten, denen die Forscher das Versteifungselement an einen für die Flexibilität unwichtigen Punkt gesetzt hatten.

Die Biegsamkeit ist also ein wichtiges Element der aerodynamischen Eigenschaften der Hummel-Flügel, folgern die Forscher. So können die vergleichsweise kleinen Flügel den Insekten genug Auftrieb verschaffen, um den pummeligen Körper plus dem Gewicht des gesammelten Nektars und Pollens in die Luft zu hieven. Das sei nicht nur aus Sicht der Biologie ein interessantes Ergebnis: Auch die Entwicklung von kleinen Luftfahrzeugen, die durch bewegliche Flügel angetrieben werden, könnte davon profitieren, sagen Mountcastle und Combes. Es gibt bereits Prototypen solcher insektenartiger Flugroboter, die zukünftig bei Erkundungsflügen zum Einsatz kommen könnten.
Andrew Mountcastle und Stacey Combes von der Harvard University: Proc R Soc B, doi:10.1098/rspb.2013.0531

© wissenschaft.de - Martin Vieweg


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