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Biologie

Tierischer Beißkraft auf der Spur

Ein großer Käfer zeigt, was seine Beißwerkzeuge drauf haben. © Peter T. Rühr/Universität Bonn

Die Beißerchen von Käfer und Co im Visier: Was die Mundwerkzeuge von Gliedertieren leisten können, lässt sich nun durch ein cleveres Sensorsystem erfassen, das zwei deutsche Forscher entwickelt haben. Die mit der Apparatur gemessenen Werte können dabei die Frage beleuchten, wie sich die Beißkräfte von kleinen Tieren in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Lebensweise entwickelt haben, erklären die Wissenschaftler.

Sie dienen der Zerkleinerung von Nahrung, lassen sich für den Transport von Objekten nutzen und als Verteidigungs- oder Angriffswaffen einsetzen: Die Kieferzangen erfüllen wichtige Funktionen für die vielen unterschiedlichen Vertreter der Gliedertiere. Manche Arten können bekanntlich auch uns einen schmerzhaften „Kniff“ verpassen oder sogar unsere Haut mit ihren Mandibeln durchbohren. Doch welche Kräfte die Mundwerkzeuge der Gliedertiere tatsächlich hervorbringen können, ist bisher nur wenig erforscht, berichten Peter Rühr und Alexander Blanke von der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn.

Wie die beiden Wissenschaftler betonen, handelt es sich dabei um eine interessante Frage der Grundlagenforschung mit einer Bedeutung für die Evolutionsbiologie. Denn in der jeweiligen Beißkraft spiegeln sich Eigenschaften von Arten in spezieller Weise wider. Wie so oft in der Natur, galt bei der Entwicklung der Grundsatz: Die Investition musste sich lohnen, erklärt Rühr: “Nicht für jedes Insekt ist es vorteilhaft, stark zubeißen zu können, da hohe Beißkräfte auch mit höheren energetischen Kosten für das Tier einhergehen”, so der Wissenschaftler. Informationen über die Beißkraft können deshalb Licht darauf werfen, wie und warum sich bei Gliedertieren spezielle Kieferstrukturen, Muskeln und Kopfformen entwickelt haben und wie dies mit ihrer jeweiligen Lebensweise zusammenhängt. Rühr und Blanke zufolge fehlte in dem Forschungsbereich bisher allerdings eine standardisierte Methode zur Erfassung der Beißkraft, die eine Vergleichbarkeit wissenschaftlicher Daten ermöglicht.

Beißkraft mit Piezokristallen erfasst

Um dies zu ändern, haben die beiden nun das mobile System „forceX“ in der Feinmechanikwerkstatt der Universität zu Köln entwickelt. Das zentrale Element des Systems bilden zwei Metall-Plättchen, deren Abstand zueinander sich auf die Dimensionen der jeweiligen Beißwerkzeuge der tierischen Probanden einstellen lässt, erklären die Forscher. Käfer, Gottesanbeterin und Co werden dann im Fokus eines vergrößernden Binokulars an diese Blättchen herangeführt, bis sie diese mit ihren Mandibeln in die Zange nehmen können. Um sich zu verteidigen, beißen die gestressten Tiere dann meist auch gleich heftig zu. Bleibt dieses instinktive Verhalten aus, streichen die Wissenschaftler ihnen mit einem Pinsel über den Kopf – spätestens dann schließen die Insekten ihre Kiefer und beißen in die beiden Plättchen, berichten die Rühr und Blanke.

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Das untere Stück bleibt dabei unbeweglich, während das obere über eine Wippe die Kraft auf einen sogenannten Piezokristall überträgt. Von der Kraft abhängig erzeugt dieses Element eine Spannung, die auf einen Laptop übertragen wird. Eine speziell einwickelte Software verwandelt diese Daten dann in Werte, die grafisch dargestellt werden. Auf diese Weise ermöglicht forceX detaillierte Informationen über den Verlauf und die Maximalstärke des Bisses von Insekten und anderen Vertretern der Gliedertiere, berichten die Wissenschaftler.


Video: Eine Gottesanbeterin beißt in die Mess-Plättchen. © Peter/ Universität Bonn

Von winzigen Beißerchen bis zu wuchtigen Versionen

“Je nach Größe und Öffnungswinkel der Kiefer verwenden wir unterschiedlich große Beiß-Plättchen, die sich austauschen lassen”, erklärt Rühr. “Damit lässt sich der Sensor über eine relativ große Spannweite den jeweiligen Erfordernissen der Tiere anpassen“. Das komplette System ist akkubetrieben und damit mobil für Messungen einsetzbar –also auch problemlos in der Feldforschung, betonen die Forscher. Auch für den Umgang mit tierischen Probanden, die sich neben ihren Mandibeln auch mit anderen Waffen zur Wehr setzen, haben die Forscher eine Lösung parat: Für stechende Arten nutzen sie eine Halterung aus Kunststoff. Aus dieser Hülse ragt nur der Kopf mit den Mundwerkzeugen aus einem kleinen Loch heraus. “Damit können wir die Tiere besser positionieren, ohne sie in der Hand halten zu müssen”, sagt Rühr.

Die beiden Forscher stellen das Konzept ihres Sensorsystems nun der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung: “Unser Beißkraftsensorsystem soll eine Grundlage für Nachbauten darstellen”, sagt Rühr. Wesentliche Teile der Apparatur lassen sich ihm zufolge auch gut durch einen 3D-Drucker herstellen. Rühr und Blanke hoffen, dass ihr Konzept dazu beitragen kann, das bisher dürftige Wissen über Schließkräfte bei Gliedertieren zu erweitern. Abschließend heben sie dabei erneut die Anpassungsfähigkeit ihres Systems hervor: Neben der Untersuchung der vielfältigen Versionen von Kieferwerkzeugen bei Insekten könnte das System auch die Kräfte von Scheren verdeutlichen: Man könnte auch Skorpione und Krebse in forceX zwicken lassen, sagen die Wissenschaftler.

Quelle: Universität Bonn, Fachartikel: Methods in Ecology and Evolution, doi: 10.1111/2041-210X.13909

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