Fliegen – mit Kupplung und Getriebe

Unter den Insekten finden sich viele Arten, die in der Lage sind, aktiv zu fliegen. Die dabei zum Einsatz kommenden Flügel weisen erstaunliche Größenunterschiede auf; so gibt es Wespen mit Flügeln mit einer Spannweite vom Bruchteil eines Millimeters und andererseits Falter, deren Flügelspitzen bis zu 30 cm voneinander entfernt sind. Je kleiner die Flügel sind, desto häufiger muss das Insekt mit den Flügeln schlagen, um sich mit der entsprechend geringeren Tragfläche in den Luftraum aufschwingen zu können. Bei kleinen Insekten wurden Frequenzen von über 100 Hz gemessen.

Obwohl der Insektenflug schon lange Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen ist, sind viele Aspekte zu dessen Biomechanik bisher nicht genau verstanden. Moderne Untersuchungsmethoden wie z. B. der Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras machen neue Fragestellungen für die Forschung zugänglich.

Die Zweiflügler (Diptera) – dazu gehören die Insekten, die wir in der Alltagssprache als Fliegen und Mücken bezeichnen – besitzen neben ihrem namensgebendem einen Flügelpaar als notwendige und typische Struktur noch ein Paar Schwingkölbchen. Dabei handelt es sich um keulenförmige bewegliche Anhänge, die auch als Halteren bezeichnet werden und den Insekten zur Bestimmung und Kontrolle der Lage des Körpers im Raum dienen. Dipteren bewegen die Halteren synchron zu den Flügeln.

Eine indische Arbeitsgruppe hat nun die biomechanischen Grundlagen der Koordination von Halteren und Flügeln an Soldatenfliegen (Hermetia illucens) untersucht (Deora et al. 2015). Dabei stellten die Wissenschaftler fest, dass die Synchronisierung des Flügelschlags durch eine mechanische Kopplung über das sogenannte Scutellum, einer verhärteten (sklerotisierten) Struktur am Rücken des Brustbereichs (Thorax) erfolgt. Bei manchen Käfern ist das Scutellum als kleiner Keil zwischen den Flügeldecken erkennbar. Durchtrennt man das Scutellum bei Soldatenfliegen, so schlagen der rechte und der linke Flügel nicht mehr gleichzeitig auf und ab; klebt man die beiden Scutellumhälften wieder zusammen, ist der synchrone Flügelschlag wieder möglich. Mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen konnte demonstriert werden, dass die Halteren antizyklisch mit den Flügeln schlagen und zwar exakt synchron. Auch diese Kopplung hat eine mechanische Grundlage, die mikroskopisch lokalisiert werden konnte, deren genaue Funktion derzeit aber noch nicht verstanden ist.

Der Flügelschlag selbst erfolgt indirekt über muskuläre Aktivität im Thorax. Dabei fanden die Autoren heraus, dass die Flügel an ihrer Aufhängung über eine Kupplung und ein 4-Stufen-Getriebe mit dem muskulären Antrieb verbunden werden können. Diese Zusammenhänge sind bereits zuvor von anderen Autoren beschrieben worden (Miyan & Ewing 1985), aber Deora et al. konnten diese bestätigen, detaillierter darstellen und so zu einem vertieften Verständnis der biomechanischen Grundlagen beitragen.

Die Autoren der Studie stellen abschließend fest, dass die von ihnen beschriebenen biomechanischen Strukturen für die schnelle Koordination von Flügelschlag und Halteren von grundlegender Bedeutung ist und vermutlich auch bei anderen Insekten vorkommt. Die beschriebenen biomechanischen Strukturen stellten auch wichtige Design-Prinzipien für die Entwicklung von Mikrorobotern nach dem Vorbild von Insekten dar.

Fuxianhuia protensa sieht äußerlich vielleicht primitiv aus, ihre inneren Qualitäten weisen die Art nun in mehrfacher Hinsicht als modern aus, was die Autoren bei der Diskussion der angenommenen Evolution der Gliederfüßer vor Schwierigkeiten stellt: Ist die Art, wie man von ihrem Alter und Äußeren her annehmen könnte, eine ursprüngliche Stammform, müssten heutige Gliederfüßer-Arten mit niedrigerem Komplexitätsgrad, die es durchaus auch gibt, effiziente Strukturen wieder verloren haben. Wäre Fuxianhuia dagegen wegen seines komplexen Inneren nicht Vorläufer der heutigen Gliederfüßer, müssten letztere ihre komplexe Organisation unabhängig noch einmal entwickelt haben. Beides sind Beispiele für unplausible Szenarien, zu denen Evolutionsbiologen oft durch den Datenbefund gezwungen werden, wenn eine gemeinsame Abstammung von einfachen Stammformen vorausgesetzt wird. Dieses kambrische Fossil entspricht einmal mehr offensichtlich nicht dem theoretisch erwarteten Prinzip der Evolution von „einfach“ zu „komplex“. Im Gegenteil, ganz am Beginn ihres Erscheinens im Fossilbericht im frühen Kambrium, zu Zeiten der berühmten „kambrischen Explosion“, besaßen Gliederfüßer schon höchst komplex entwickelte Nerven- und Blutgefäßsysteme, die sich dann über eine halbe Milliarde radiometrische Jahre offensichtlich nicht mehr geändert haben. Es kann auch hier wieder konstatiert werden, dass ein solcher Mix aus „ursprünglichen“ und „modernen“ Strukturen innerhalb einer Art einfacher schöpfungstheoretisch, im Sinne eines der geschaffenen Natur zugrunde liegenden „Baukastensystems“ gedeutet werden kann, dessen Komponenten keine größeren Abwandlungen über die Zeit mehr erfahren.

H. Binder

[Deora T, Singh AK & Sane SP (2015) Biomechanical basis of wing and haltere coordination in flies. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, doi/10.1073/pnas.1412279112 • Miyan JA & Ewin AW (1985) How Diptera move their wings: A re-examination of the wing base articulationand muscle systems concerned with flight. Phil. Trans. R. Soc. London B 311, 271-302.]