Buchstäblich coole Schmetterlingsflügel - wissenschaft.de
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Buchstäblich coole Schmetterlingsflügel

Infrarotaufnahmen von Schmetterlingen: Die hellen Bereiche sind mit der Fähigkeit zur Strahlungskühlung verknüpft. (Bild: Nanfang Yu und Cheng-Chia Tsai / Columbia Engineering)

Schmetterlingsflügel sind keineswegs leblose Flugmembranen, wie man meinen könnte: In den filigranen Strukturen steckt aktives Zellgewebe – und das muss vor Überhitzung geschützt werden, wie eine Studie verdeutlicht: Forscher haben clevere Verhaltensweisen der Insekten und raffinierte Strukturen entdeckt, die zur Kühlung der Flügel führen. Neben der biologischen Bedeutung könnten die entsprechenden Oberflächen-Merkmale auch der Entwicklung von Materialien zur Strahlungskühlung dienen, sagen die Forscher.

In unseren Haaren und Fingernägeln oder auch in Vogelfedern steckt abgesehen von ihren Bildungsbereichen kein lebendes Gewebe. Doch für die Flügel der Schmetterlinge gilt das nicht, wie Untersuchungen bereits gezeigt haben: Weite Teile dieser Gewebe werden von Blutgefäßen und Nerven durchzogen und enthalten aktive Zellen. Bei männlichen Falten sitzt sogar ein Organ im Flügel: Es besteht aus Drüsenzellen, die Duftstoffe abgehen, die der Partnerfindung dienen. Für die Sauerstoffversorgung dieser Bereiche sorgt zudem ein feines Netzwerk aus Luftröhrchen im Flügel – die sogenannten Tracheen.

Das Leben im Flügel im Visier

Doch die Strukturen und Merkmale der Schmetterlingsflügel sind weit weniger gut untersucht, als man meinen könnte. Deshalb haben ihnen die Wissenschaftler um Naomi Pierce von der Harvard University in Cambridge nun erneut eine Studie gewidmet. Durch moderne optische Untersuchungsverfahren blickten sie dazu zunächst in den Feinbau der filigranen Gebilde und ermöglichten damit neue Einblicke: Unter anderem konnten sie mechanische Sensoren zur Koordination der Flügelbewegungen sichtbar machen sowie Thermo-Fühler zur Temperaturerfassung. Es gibt sogar ein „Flügelherz“, verdeutlichten die Untersuchungen. Dabei handelt es sich um ein kleines Areal im Bereich des Duftdrüsenorgans, das sich einige Male pro Minute zusammenzieht, um das Insektenblut gerichtet voranzutreiben.

„Der größte Teil der Forschung an Schmetterlingsflügeln hat sich auf Farben und Muster konzentriert, die der innerartlichen Kommunikation oder der Tarnung und Verwirrung von Fressfeinden dienen“, sagt Pierce. „Diese Arbeit verdeutlicht hingegen, dass wir Schmetterlingsflügel als dynamische, lebende Strukturen betrachten sollten“. Genau das haben Pierce und ihre Kollegen auch im Rahmen ihrer weiteren Untersuchungen getan. Im Zentrum stand dabei die Frage, wie die Insekten mit der Gefahr umgehen, dass die dünnen Flügel mit ihrer geringen Wärmekapazität im Sonnenschein überhitzen.

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Verhaltensweisen und raffinierte Strukturen dienen der Kühlung

Durch Verhaltensstudien an verschiedenen Schmetterlingsarten konnten die Wissenschaftler dokumentieren, welche Reaktionen die Temperatursensoren auslösen, die sie zuvor in den Flügeln sichtbar gemacht hatten. Sie richteten dazu gezielt wärmendes Licht auf bestimmte Bereiche der Flügel ihrer Versuchstiere. Wie sich zeigte, ist bei 40 Grad Celsius eine kritische Temperatur erreicht: Um eine weitere Erwärmung zu vermeiden, drehen die Falter ihre Flügelflächen geschickt aus dem Licht. Durch schnelle Veränderungen des Einstrahlwinkels der wärmenden Lichtquelle kann man Schmetterlinge sogar zu einem regelrechten Tanz animieren, zeigen die Videoaufnahmen der Wissenschaftler.

Wie sie weiter berichten, gibt es allerdings auch strukturelle Elemente des Kühlsystems der schönen Insekten. Dies wurde durch Analysen der thermodynamischen Merkmale der Schmetterlingsflügel und durch Untersuchungen der Nanostrukturen auf deren Oberfläche deutlich. „Wir haben herausgefunden, dass der Feinbau verschiedener Schuppenstrukturen sowie ungleichmäßige Dicken der Oberflächen eine unterschiedliche Verteilung der Wärmeableitung durch Strahlung in verschiedenen Flügelbereichen bewirken“, sagt Co-Autor Nanfang Yu von der Columbia University in New York. Durch dieses System werden die lebendigen Teile im Bereich der Flügelvenen und des Duftstoff-Organs gezielt kühl gehalten, verdeutlichten die Untersuchungen.

Wie die Wissenschaftler betonen, sind die thermoregulierenden Oberflächenmerkmale der Schmetterlingsflügel nicht nur aus biologischer Sicht interessant. Die Nanostrukturen, die den winzigen Flügelschuppen eine starke Wärmeableitung an die Umwelt ermöglichen, könnten ihnen zufolge auch der Entwicklung von Materialien zur Strahlungskühlung dienen. Ohne Energieaufwand könnten entsprechende Beschichtungen zu einer Kühlung von Objekten führen – eine Strategie, die bekanntlich immer mehr an Bedeutung gewinnt. Möglicherweise könnte es demnach einmal eine buchstäblich coole Beschichtung nach dem Vorbild der Schmetterlingsflügel geben.

Quelle: Columbia University School of Engineering and Applied Science, Fachartikel: Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-020-14408-8

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