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Mittwoch, 28.09.2016
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Erster 3D-Röntgenfilm eines fliegenden Insekts

Synchrontronlicht enthüllt Geheimnisse des wendigen Fliegenflugs

Kein anderes Tier fliegt so wendig wie die Fliegen. Jetzt haben Forscher erstmals ein solches Insekt im Flug auf 3D-Röntgenfilm gebannt. Zu einem Film zusammenmontiert, liefern diese Aufnahmen einen einzigartigen, dreidimensionalen Einblick in die Biomechanik des Fliegenflugs. Er enthüllt unter anderem, wie die Fliegen ihre halsbrecherischen Wendungen steuern, wie die Forscher im Fachmagazin "PLoS Biology" berichten.
Nicht sehr beliebt: Blaue Schmeißfliege (Calliphora vicina)

Nicht sehr beliebt: Blaue Schmeißfliege (Calliphora vicina)

Die Blaue Schmeißfliege (Calliphora vicina) löst bei den meisten Menschen eher Ekel aus. Denn das zweiflügelige Insekt besucht bevorzugt Kadaver und Kot, um Nahrung zu finden und ihre Eier zu legen. Aber für Biomechaniker und Ingenieure ist die lästige Fliege ein faszinierendes Wunderwerk, eine geniale Erfindung der Natur. "Ihr einziges Flügelpaar erlaubt ihr eine Reihe dramatischer Flugmanöver, vom Wenden auf der Stelle über das Rückwärtsfliegen bis zum Landen kopfüber an der Decke", erklären Simon Walker von der University of Oxford und seine Kollegen.

Geniale Konstruktion der Natur


In der Zeit, die wir für einen Wimpernschlag benötigen, absolviert die Schmeißfliege 50 Flügelschläge. Ihr Flugapparat ist dabei täuschen simpel: Jeder Flügel wird von vier durch Dehnung aktivierten Muskeln angetrieben, die nicht am Flügel direkt ansetzen, sondern am Brustpanzer des Insekts. Die von ihnen ausgelöst Verformung und Oszillation überträgt sich ans Flügelgelenk und bringt die Flügel in Bewegung.

"Fliegen haben ein Problem gelöst, an dem Ingenieure noch arbeiten: Sie erzeugen große, komplexe und dreidimensionale Bewegungen mit Bauteilen, die selbst nur kleine, einfache und eindimensionale Bewegungen ausführen", erklärt Seniorautor Graham Taylor von der University of Oxford. Das Geheimnis des Fliegenflugs ließ sich bisher aber kaum ergründen, denn der dicke Brustpanzer versperrt die Sicht auf die innenliegenden Flugmuskeln. Ihre Lage und Anordnung lässt sich zwar an toten oder betäubten Exemplaren per Röntgenbild abbilden.


Dieser 3D-Röntgenfilm zeigt die Flugmuskeln der Schmeißfliege in Aktion

Synchrotronlicht enthüllt dynamisches Innenleben


Wie die Muskeln aber im Flug und vor allem während der schnellen Wendungen arbeiten, können normale Röntgengeräte nicht einfangen – dafür sind die Bewegungen der Fliegen viel zu schnell. Walker und seine Kollegen nutzten daher eine aufwändigere Methode: Sie ließen die Fliegen in einer Spezialkammer am Paul Scherrer Institut im schweizerischen Villigen fliegen und durchleuchteten die Insekten dabei mit dem hochfokussierten Röntgenstrahl der Synchrotron Lichtquelle Schweiz.

Dieses im Teilchenbeschleuniger erzeugte Röntgenlicht ermöglicht extrem schnelle Belichtungen in einer Frequenz von 145 Herz und Auflösungen im Mikrometerbereich. "Das ist das erste Mal, dass die inneren Bewegungen eines Organismus dreidimensional und im Submillisekunden-Bereich aufgelöst visualisiert wurden", so die Forscher. Sie setzten die Einzelbilder zu einem Film zusammen, der nun Aufschluss über die Arbeit der Schmeißfliegen-Flugmuskeln gibt – und der verrät, wie sie ihre halsbrecherischen Wendungen steuern.

Kleine Muskeln, große Wirkung


Die 3D-Aufnahmen aus dem Inneren der Fliege zeigten gleich einige unerwartete Verhaltensweisen der Flugmuskeln, wie die Forscher berichten. So machen die Muskeln, die die Wendungen steuern, nur drei Prozent der gesamten Flugmuskelmasse aus. Ihre dennoch potente Steuerwirkung entfalten sie daher vorwiegend indirekt: Sie verformen den Brustpanzer und ihre Sehnen wirken auf die Flügelgelenke ein. Einige der Steuermuskeln wirken dabei wie ein Getriebe, wie die Forscher erklären: Sie übersetzen langsame in schnellere Schwingungen und können so die Flugmuskeln zu gegeneinander verschobenen Oszillationen bringen. Das macht die schnellen Wendungen möglich. "Das ist als wenn man die Gänge eines Autos zum Bremsen nutzt", erklärt Taylor.

Die neuen Röntgen-3D-Filme eröffnen damit einen Einblick in das Innenleben eines der komplexesten Mechanismen der Natur, wie die Forscher erklären. "Das Flügelgelenk der Fliege ist das Produkt von mehr als 300 Millionen Jahren evolutionärer Optimierung", sagt Walker. Das Ergebnis dieser Entwicklung ist ein Mechanismus, der sich fundamental von konventionellen Konstruktionen des Menschen unterscheidet.

Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte er als daher als Vorbild dienen, um mikromechanische Apparate und andere technische Geräte zu verbessern. Noch allerdings ist die einfache Schmeißfliege unseren Ingenieuren zumindest in punkto Flugsteuerung weit voraus. (PLOS Biology, 2014; doi: 10.1371/journal.pbio.1001823)
(Public Library of Science, 26.03.2014 - NPO)
 
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