Die Flugkünste der Insekten

Insektenflug betrachtet man in der Regel als selbstverständliche Naturerscheinung. Doch beim näheren Hinsehen stellt sich heraus, was für flugtechnische Wunder Libelle, Drosophila & Co. eigentlich vollbringen!

Nein, Dasselfliegen können nicht schneller als der Schall fliegen. Dieser Irrtum geht auf eine Einschätzung des US-Entomologen Charles Henry Tyler Townsend aus dem Jahr 1927 zurück. Der Nobelpreisträger Irving Langmuir wies später darauf hin, dass die nur etwa 0,3 Gramm leichte Fliege, wollte sie tatsächlich die Schallmauer durchbrechen, in jeder Sekunde ihres Überschallfluges das Eineinhalbfache ihres eigenen Körpergewichts zu sich nehmen müsste, um diese extreme Leistung erbringen zu können. Zudem hätte Townsend einen Überschallknall hören müssen, denn mit bloßem Auge hätte er die kleine Fliege erst gar nicht beobachten können.

Auch wenn die Überschallfliege ins Reich der Mythen, Märchen und Legenden gehört, so sind doch manche Insekten in der Tat zu atemberaubenden Flugmanövern fähig. Stubenfliegen etwa landen kopfüber an der Zimmerdecke, Libellen beschleunigen schneller als jeder Düsenjet, und Schmetterlinge legen im Flug Strecken von tausenden Kilometern zurück. Da fragt sich doch: Wie machen die das bloß? Schließlich handelt es sich doch nur um winzige Insekten! Der Insekten-Paläontologe Robin J. Wootton von der britischen Universität von Exeter ist sich sicher, dass das Geheimnis in den Flügeln der Tiere zu suchen ist: "Je mehr wir über die Funktionsweise von Insektenflügeln wissen, desto raffinierter und wunderbarer erscheint uns ihr Design. Bis heute gibt es hierfür keine technischen Entsprechungen".

Die Flügel der Insekten sind in der Tat wahre Meisterwerke des Leichtbaus. Ihre mit einem Aderwerk stabilisierte Flugmembran, die vor allem aus Chitin besteht, ist nur rund 0,1 Millimeter dick, aber dennoch äußerst reißfest. Ein Libellenflügel etwa macht lediglich zwei Prozent des gesamten Körpergewichts des Tieres aus, beschleunigt dieses aber mit atemberaubenden 30 g - das ist immerhin die 30-fache Erdbeschleunigung. Zum Vergleich: Der Eurofighter kommt gerade einmal auf maximale 9 g. Der US- Raumfahrtingenieur Marvin Luttges hat die Flügel der Libelle Libellula luctuosa zu Versuchszwecken mit kleinen Gewichten beschwert und kommt im Laufe seiner Forschungen zu dem Ergebnis, dass sich das Tier mit dreimal mehr Gewicht in die Luft aufschwingen kann, als es die leistungsfähigsten von Menschen erfundenen Luftfahrzeuge vermögen. Dabei fallen Libellen eigentlich mit ihren vier Flügeln ein wenig aus dem Rahmen, denn sie können das vordere und hintere Flügelpaar unabhängig voneinander ansteuern. So sind nicht nur außergewöhnlich akrobatische Flugmanöver möglich, wie etwa das Rückwärtsfliegen, sondern auch wissenschaftlich nachweisbare Geschwindigkeiten von über 50 Kilometer. Derartiges Tempo erreichen Libellen durchaus schon mit etwa 30 Flügelschlägen pro Sekunde, wohingegen Käfer mit deutlich schnelleren Schlagfrequenzen auf gerade einmal acht Kilometer pro Stunde kommen. Hier spielt natürlich zum einen die Form der Flügel eine Rolle. Bei Käfern ist das vordere Flügelpaar nämlich verhärtet zu einer Art Schutzdeckel für das hintere Flügelpaar, mit dem allein sich die Tiere in die Luft aufschwingen. Die vorderen Flügel sind zwar als Tragflächen sehr wohl nutzbar, aber aerodynamisch perfekt sind sie mit ihrer bauchigen Form eher nicht.

Was die Libellen, aber auch viele andere hervorragende Flieger unter den Insekten auszeichnet, sind vor allem aber die Flugmuskeln und die Art und Weise, wie diese die Flügel antreiben. Die enormen Muskelpakete der Libellen steuern die Flügelpaare einzeln und direkt an - und genau das ist seltsamerweise eher die Ausnahme bei den Insekten. In der Regel werden die Flügel indirekt sowie gekoppelt bewegt, und zwar durch Muskeln, die im Brustraum der Tiere vom Rücken zum Bauch verlaufen. Durch das Anspannen und wieder Entspannen dieser Muskeln verformt sich der gesamte Brustkorb der Insekten - die Flügel bewegen sich dabei quasi nur als eine Art Nebeneffekt mit. So seltsam es sich auch anhören mag, diese Art des Antriebs ist überaus leistungsfähig: Forcipomyia-Mücken schaffen so unglaubliche 1000 Flügelschläge in der Sekunde und mehr. Im Gegensatz zu den Libellen fliegen Mücken nur mit zwei Flügeln. Das hintere Flügelpaar hat sich evolutionär zu sogenannten Schwingkolben (Halteren) umgebildet, die man normalerweise gar nicht sieht. Wichtig sind sie dennoch, werden sie doch für die Steuerung benötigt. Im Laufe der Evolution konnte sich lediglich die Sechsflügligkeit nicht durchsetzen, obwohl erste Ansätze schon im Karbon, also vor etwa 300 bis 360 Millionen Jahren, bei den Palaeodictyopteren vorhanden waren. Das bisher älteste gefundene geflügelte Insekt (Delitzschala bitterfeldensis) ist 324 Millionen Jahre alt und somit ganze 100 Millionen Jahre älter als der älteste bekannte Flugsaurier. Die Vögel kamen erst sehr viel später. Auffallend dabei ist, dass Saurier wie auch Vögel ihre Flügel aus ihren Gliedmaßen entwickelten, derweil Insekten die ihrigen Sklelettauswüchsen verdanken. Die Theorie, wonach sich die Insektenflügel aus Beinanhängen bildeten, wird heute von vielen Fachleuten verworfen.

So oder so: Auf jeden Fall genügt es nicht, die Flügel - so viele es denn auch seien mögen - einfach irgendwie auf und ab zu bewegen. Um die Abläufe beim Flug besser studieren zu können, haben die Biologen Michael Dickinson und James Birch von der Universität Kalifornien in den USA die Flügel der Fruchtfliege Drosophila vergrößert im Labor nachgebaut und diese dann in ein Ölbad eingetaucht. Erstmals war es so möglich, die auftretenden Kräfte vernünftig messen zu können. Dickinson und Birch haben so herausgefunden, dass vor allem die Drehung der Flügel um die Längsachse entscheidenden Auftrieb bringt. Michael Dickinson: "Das Ganze funktioniert wie ein Tennisball, der mit Topspin angeschnitten wird. Er dreht sich um die eigene Achse und zieht so die Luft schneller über seine Oberseite als über die Unterseite. So wird oben ein Unterdruck erzeugt, der den Ball nach oben saugt. Genau das Gleiche passiert auch beim Insektenflügel. Durch die Drehung wird er hochgesaugt." Damit aber nicht genug. Die gleichen Luftwirbel können noch ein zweites Mal genutzt werden, sagt Dickinson, und zwar bei jeder Änderung der Schlagrichtung von vorn nach hinten und umgekehrt: "So verstärkt sich die Wirkung der Flügelschläge der Insekten um das Doppelte". Auf diese Art und Weise können enorme Anstellwinkel erreicht werden, die jedes Flugzeug zum Abstürzen bringen würden. Dabei können die Flügel in Form einer Acht bewegt werden, sodass die Tiere im wahrsten Sinne des Wortes durch die Luft rudern. Die Evolution hat sich also so einiges einfallen lassen, um aus den kleinen Insekten wahrlich große Flugkünstler zu machen.

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