Winzige Pfauenspinne kann mikroskopische Regenbogen erzeugen

Pfauenspinnen (Maratus) gehören zu den Springspinnen und sie zeigen wie die Vögel, auf die ihr Name hinweist, ein auffälliges Farbspiel. Die irisierenden Farben der langen Schwanzfedern, die der Pfau zur Werbung bei Hennen einsetzt, weisen Pfauenspinnen an ihrem Hinterleib auf. Sie nutzen sie mit tänzerischen Bewegungen zum selben Zweck, der Werbung um Spinnenweibchen. Bei einigen australischen Vertretern der Pfauenspinnen ist das gesamte sichtbare Spektrum, also alle Regenbogenfarben, abhängig vom Betrachtungswinkel zu beobachten. Irisierende Farbmuster von Oberflächen im Pflanzen- und Tierreich zeigen oft nur einen kleinen Ausschnitt des sichtbaren Spektrums.

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Abb. 1: Pfauenspinne Maratus robinsoni (© Jürgen Otto)

Wie ein internationales Forscherteam um Matthew Shawkey jetzt durch mikroskopische und spektroskopische Untersuchungen gezeigt hat, können die beiden winzigen (nur ca. 2,5 mm großen) Pfauenspinnen Maratus robinsoni und M. chrysomelas die irisierenden Farben durch Lichtbrechung an mikroskopisch kleinen (bis zu 40 x 10 µm2 großen) Schuppen hervorrufen, die ihren Hinterleib bedecken (Hsiung et al. 2018). Die Autoren fanden jeweils zwei verschiedene Typen von Schuppen: In bestimmten Arealen des Hinterleibs einen Typs sind die einzelnen Schuppen unregelmäßig angeordnet und samtig, sie verursachen schwarze Bereiche, die den farblichen Kontrast auf dem Hinterleib verstärken. Die Felder mit den irisierenden Regenbogenfarben sind durch regelmäßiger angeordnete Schuppen gekennzeichnet, die sich an die Oberfläche anschmiegen. Der zweite Schuppentyp weist parallele Gitterstrukturen auf, wie bei einem optischen Gitter. Die Schuppen zeigen bei M. robinsoni im Querschnitt ein tragflächenartig gewölbtes, asymmetrisches Profil, wobei die Abstände der Gitterstrukturen auf beiden Seiten unterschiedlich sind. Die besondere Gitterstruktur der Schuppen führt zu einer Streuung des gesamten sichtbaren Spektrums, sodass dieses bereits auf geringe Distanz vollständig in Spektralbereiche zerlegt ist. Auf mikroskopisch kleinem Raum wird Licht spektral zerlegt, sodass man sagen kann, dass an den Schuppen auf dem Hinterleib dieser Pfauenspinnen die kleinsten bisher bekannten Regenbögen hervorgerufen werden.

Aufgrund der mikroskopischen Befunde stellten Hsiung et al. die Hypothese auf, dass das extreme winkelabhängige Schillern der Regenbogenfarben auf der Wechselwirkung des Lichts mit dem Nanogitter auf den mikroskopisch kleinen tragflächenartig gewölbten Schuppen beruht. Um diese Vorstellung zu prüfen, stellten die Autoren verschiedene Modelle mit optischen Gittern her (flache Gitter, Gitter auf Prismen und Gitter auf tragflächenartigen Profilen) und simulierten daran die reflektierten Spektren in Abhängigkeit vom Blickwinkel. Diese Simulationen bestätigen, dass sowohl das Profil, auf dem die Gitterstruktur aufgebracht ist, als auch die Gitterabmessungen, wie sie bei den Pfauenspinnen gefunden wurden, erforderlich sind, um den beschriebenen Schillereffekt des gesamten sichtbaren Spektrums hervorzubringen. Hsiung et al. heben zusammenfassend hervor, dass die innovative Kombination der regelmäßigen Gitterstruktur auf einer tragflächenartig gewölbten Schuppe das auffällige Schillern verursacht.

Die irisierenden Schuppen am Hinterleib von M. robinsoni und M. chrysomelas stellen das erste Beispiel in der Natur dar, in dem schillernde Regenbogenfarben als Signal genutzt werden (wobei die biologische Funktion des Signals im Detail noch nachzuweisen ist).

Da Licht auch in der Technik ein hohes Potenzial hat, z. B. in der Kommunikation, Sensorik, Sicherheitstechnik und in anderen Bereichen, sehen die Autoren in dem bei Pfauenspinnen entdeckten System der irisierenden Regenbogenfarben eine Inspiration für die Entwicklung kleinster lichtstreuender Bausteine mit extrem hoher Auflösung. Damit ist ein weiteres Kapitel der Bionik aufgeschlagen, in dem Entdeckungen in der Natur richtungweisend genutzt werden können, um technische Entwicklungen voranzutreiben.

Einen Eindruck dieses faszinierenden Farbspiels kann man sich im Internet verschaffen: https://youtube/eGS4JdewROU. Bei youtube sind noch weitere eindrucksvolle Pfauenspinnen dokumentiert.

Einer der Autoren sagte in einem Gespräch: „Selbst mit High-End-Fertigungstechniken konnten wir die genauen Strukturen nicht reproduzieren. Ich frage mich, wie die Spinnen diese fantastischen strukturellen Muster überhaupt entwickeln konnten.“ (Bild der Wissenschaft online vom 4. 1. 2018: http://www.wissenschaft.de/web/wissenschaft.de/leben-umwelt/natur/-/journal_content/56/12054/22009003/Schillerndes-Naturpatent-mit-Potenzial)

H. Binder

[Hsiung B-K, Siddique RH, Stavenga DG, Otto JC, Allen MC, Liu Y, LuY-F, Deheyen DD, Shawkey MD & Blackledge TA (2018) Rainbow peacock spiders inspire miniature super-iridescence optics. Nat. Comm.; doi: 10.1038/s41467-017-02451-x]