Springende Genialität

Abb. 1: Abflugstrategie von Flohkäfern. Die Beschleunigungsdaten wurden auf der Grundlage von drei typischen Sprüngen berechnet, die von einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet wurden. Die drei verschiedenen Arten wurden ausgewählt, um Flohkäfer unterschiedlicher Größe zu repräsentieren. Phase 1 (Stauchen): die Schienbeinbeugemuskeln kontrahieren, was eine Beugung des Schienbeins verursacht; Phase 2 (Co-Kontraktion): Streckmuskeln und Beugemuskeln der Tibia kontrahieren gleichzeitig, wobei sie die dreieckige Platte greifen und die Streckung der Tibia blockieren; Phase 3 (Auslösung und Beschleunigung): die dreieckige Platte wird gelöst, was zu einer explosionsartigen Freisetzung von Energie führt; Phase 4 (Entspannung): der Flohkäfer wird in die Luft geschleudert und die Muskeln beginnen sich zu entspannen. (Aus Ruan 2020, CC0 Public Domain Dedication)

Ein eingehender Blick auf die Biologie offenbart immer wieder Konstruktionsmerkmale, die sich einer evolutionären Erklärung entziehen. Ein bemerkenswerter neuer Katapultmechanismus wurde in den Hinterbeinen mehrerer Blattkäferarten (Blepharida sp., Longitarsus sp., Psylloides sp.) entdeckt (Ruan et al. 2020), der sich von einem früher entdeckten zahngetriebenen Katapultmechanismus in Zikadenlarven (Burrows & Sutton 2013) unterscheidet. Diese Blattkäfer weisen unglaubliche Sprungfähigkeiten auf, die die Sprungkraft der Flöhe bei weitem übertreffen, und stellen eine extrem wirksame Fluchtmöglichkeit dar, um potenziellen Räubern zu entkommen.

Abb. 2: Bionisches Design eines springenden Gliedes nach dem Vorbild des Flohkäferbeins. (Aus Ruan 2020, CC0 Public Domain Dedication)

Als Sprungweite eines der Käfer (Longitarsus anchusae) wurde das 289-Fache seiner Körperlänge gemessen. Für einen Menschen würde das einem Sprung von etwa einem halben Kilometer entsprechen. Zudem konnte der Käfer diese Sprünge mehrere Dutzend Male hintereinander ausführen. Auf einem anderen Blattkäfer (Psylloides affinis) lastet beim Start eine G-Kraft von bis zu 266 g! Wenn man bedenkt, dass auf Astronauten bei einem Raketenstart normalerweise maximal 3 g wirken und Kampfpiloten höchstens 9 g aushalten können, sind die Leistungen dieser Käfer sehr außergewöhnlich.

Die Forscher wollten die Geheimnisse des Springens der Käfer lüften und setzten dazu mehrere raffinierte Techniken ein. Der zugrundeliegende Mechanismus entpuppte sich als eine raffinierte Feder in den Hinterbeinen des Käfers (Abb. 1). Die Forscher berichteten, dass die Sprungkraft und die Beschleunigung der Sprünge sonst im Tierreich unerreicht sind, und es scheint kein besseres Design bei allen bekannten springenden Insekten zu geben. Dies inspirierte die Forscher dazu, die Entwicklung eines robotergestützten Gliedmaßen-Designs anzuregen (Abb. 2). Sie loben das unglaubliche Design der Feder und diskutieren es als potenzielle Anwendung für die Fortbewegung von Robotern und schreiben weiter: „Flohkäfer haben eine enorme eigenständige Feder entwickelt, um die Speicherung von elastischer potenzieller Energie zu unterstützen.“

Es stellt sich die Frage: Könnte dieses System durch einen evolutiven Vorgang zustande gekommen sein? Die Feder besteht aus drei beweglichen Teilen, die an Muskeln befestigt sind und zusammen ein Gerät bilden, das als ein nichtreduzierbares komplexes System zu funktionieren scheint, d. h. um zu funktionieren, müssen alle Teile gleichzeitig vorhanden sein, die schon für sich genommen anspruchsvoll sind. Der Mechanismus ist als Ganzes auf die perfekte Abstimmung der ineinandergreifenden Teile und ebenso auf ihre elastischen Eigenschaften angewiesen. Ironischerweise wird im gesamten Beitrag immer wieder von „Design“ gesprochen, ohne sich auf den Verstand eines Designers zu beziehen. Natürlich weisen solche technischen Wunderwerke auf kreative Brillanz hin und nicht auf blinde natürliche Prozesse.

P. Borger

[Burrows M & Sutton G (2013) Interacting gears synchronize propulsive leg movements in a jumping insect. Science 341, 1254–1256 • Ruan Y, Konstantinov AS et al. (2020) The jumping mechanism of flea beetles (Coleoptera, Chrysomelidae, Alticini), its application to bionics and preliminary design for a robotic jumping leg. Zookeys 915, 87–105.]