Ultraschnelle Bewegung beim Clown-Fangschreckenkrebs

Clown-Fangschreckenkrebse (Odontodactylus scyllarus, Abb. 1) sind farbenprächtige Krebstiere (Crustacea). Sie nutzen zwei ihrer Extremitäten als keulenförmige Fangbeine, um die Gehäuse von Schnecken mit einem blitzartigen und kraftvollen Schlag zu zertrümmern, um an die Tiere als Nahrung zu gelangen. Dieser Schlag dauert nur etwa ein Fünfzigstel der Dauer eines Lidschlages. Die Beschleunigung der Fangbeine ist mit rund 100 000 Metern pro Quadratsekunde mit der Beschleunigung eines Projektils im Gewehrlauf zu vergleichen. Die Geschwindigkeit beträgt dabei bis zu 31 Meter pro Sekunde (ca. 110 Kilometer pro Stunde). Dabei sind die beiden Keulen kleiner als der kleine Finger eines Kindes – trotzdem brechen sie damit Schneckengehäuse auf, für die der Mensch einen kräftigen Hammerschlag benötigt. Immerhin gehören Schneckengehäuse zu den bruchsichersten Materialien, die bei Lebewesen bekannt sind. Diese Fähigkeit wird durch ein ausgeklügeltes und perfekt aufeinander abgestimmtes System ermöglicht.

Abb. 1: Der Fangschreckenkrebs Odontodactylus scyllarus: ein „Schmetterer“. Die Endgelenke der Fangbeine sind zu Keulen verdickt. (Silke Baron, CC BY 2.0)

Ultraschnelle Bewegungen wie der Schmetterschlag eines Fangschreckenkrebses funktionieren mit Hilfe eines Feder-Klinken-Prinzips, ähnlich dem Schießen mit Pfeil und Bogen. Ein federähnlicher Mechanismus speichert potenzielle Energie, die durch eine Entriegelung explosionsartig freigesetzt wird. Bei den Fangschreckenkrebsen funktioniert dieser Mechanismus folgendermaßen: Die Krebse besitzen wie Menschen Muskeln, die Gelenke strecken, sogenannte Extensoren, und Muskeln, die Gelenke beugen, sogenannte Flexoren. Die Extensoren im Fangbein bewegen dessen keulenförmigen Teil nach außen, während die Flexoren ihn wieder an den Körper heranziehen. Beim Ausführen des Schlages werden Flexoren und Extensoren gleichzeitig kontrahiert (d. h. die Muskeln werden zusammengezogen). Dabei drückt der große Extensor eine biegsame und elastische sattelähnliche Struktur des Exoskeletts zusammen (Abb. 2). Der kleinere Flexor zieht währenddessen eine Verdickung seiner Sehne über einen kleineren Höcker innerhalb des Fangbeines, sodass die Sehne hinter diesem einhaken kann. Da der Flexor damit eingerastet ist, kann er die großen, entgegengerichteten Extensorenkräfte kompensieren, um bei einer Entspannung des Flexors die gespeicherte elastische Energie schlagartig freizulassen – dabei wird das keulenförmige Ende des Fangschreckenkrebses sehr kraftvoll nach vorn geschleudert.

Die Zertrümmerung des Gehäuses beruht aber noch auf einem anderen Effekt: Bei der Zertrümmerung bildet sich kurzzeitig eine große Blase zwischen der keulenähnlichen Verdickung des Fangbeines des Fangschreckenkrebses und dem Ziel (Schneckengehäuse). Dieses Phänomen nennt man „Kavitation“: Sehr schnelle Bewegungen im Wasser können einen Unterdruck erzeugen, der Dampfblasen hervorbringt, die wiederum sofort kollabieren und dabei viel Energie freisetzen – in Form von Wärme, Licht und Schall. Dies ist auch bei rotierenden Schiffsschauben und Turbinen zu beobachten. Die Kavitation führt dazu, dass Fangschreckenkrebse mit einem Hieb quasi zweimal zuschlagen: das erste Mal, wenn das Fangbein auf das Gehäuse prallt, und das zweite Mal, wenn die Druckwelle der implodierenden Kavitationsblase eintrifft.

Abb. 2: Fangbein des Fangschreckenkrebses. Aus Patek (2016), mit freundlicher Genehmigung von American Scientist.

Um sich bei dem gewaltigen Aufprall nicht selbst Schaden zuzufügen, ist die Keule der Fangschreckenkrebse, mit dem sie diesen Schlag ausführen, aus perfekt abgestimmten Materialien aufgebaut: Die äußere Schicht der Keule vorwiegend aus Phosphorverbindungen wie Kalziumphosphat und Kalziumkarbonat macht sie sehr hart und sie ist stark mineralisiert. Im Inneren der Keule herrscht eine starke Schichtung vor, was die Eigenschaft und den Vorteil aufweist, dass die Energie des Aufpralls effektiv zerstreut wird und Mikrorisse im Inneren statt an der Oberfläche entstehen.

Mit dieser Technik ist der Clown-Fangschreckenkrebs fähig, eine der schnellsten Bewegungen auf unserem Planeten auszuführen – diese Fähigkeit ist ohne die verschiedenen perfekt aufeinander abgestimmten anspruchsvollen Komponenten undenkbar. Durch die Erkenntnisse, die an den Fangbeinen gewonnen wurden, profitieren nicht allein Physik, Ingenieurwesen und Ökologie – sie bieten auch einen klaren Hinweis für eine durchdachte Schöpfung.

M. Kurz

[Patek S (2016) Die schnellsten Bewegungen von Lebewesen. Spektr. Wiss. 2/2016, S. 20-27.]