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Mechanik des Insektenflugs : Wie Fliegen fliegen

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Die grüne Schmeissfliege: Durch ein komplexes Zusammenspiel ihrer Muskeln im Thorax ist sie zu akrobatischen Flugmanövern fähig. Bild: dapd

Die Flugmuskulatur von Schmeißfliegen ist eine beeindruckende Ingenieursleistung der Natur - sie verleiht den Insekten ihre einzigartige Manövrierfähigkeit. Durch spezielle Röntgen-Videotechnik konnte das Muskelspiel nun in lebenden Fliegen gefilmt werden.

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          Wer einmal versucht hat, eine Fliege einzufangen, hat wohl auch schon Bekanntschaft mit ihren Flugkünsten gemacht: Den Insekten gelingt durch akrobatische Ausweichmanöver meist die Flucht. Wie ihre Muskeln diese Bewegungen koordinieren, haben Forscher der Oxford University und des Imperial College in London nun mit einer speziellen Röntgenkamera festgehalten. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift „PLOS Biology“ veröffentlicht.

          Mit vier kraftvollen  Antriebsmuskeln pro Flügel und 13 kleinen Steuermuskeln schaffen es die Fliegen, sich im Flug um ihre eigene Achse zu drehen, rückwärts zu fliegen oder kopfüber an Decken zu landen. Dabei werden die Flügel nicht direkt bewegt: Die Antriebsmuskeln verformen den kompletten Thorax der Insekten, die so entstehende mechanische Energie wird über ein spezielles Gelenk an die Flügel weitergegeben. Eine solche Konstruktion ist jedoch relativ starr. Es braucht daher die Steuermuskulatur, um den Flügel in die richtige Position für die komplexen Manöver zu bringen.

          3D-Mikrotomographie eines Fliegenbrustkorbs. Die kleinen Steuermuskeln im Vordergrund (Grün- und Blautöne) machen nur einen Bruchteil der Muskelmasse der Antriebsmuskulatur aus (gelb, orange, rot). Bilderstrecke
          3D-Mikrotomographie eines Fliegenbrustkorbs. Die kleinen Steuermuskeln im Vordergrund (Grün- und Blautöne) machen nur einen Bruchteil der Muskelmasse der Antriebsmuskulatur aus (gelb, orange, rot). :

          Doch die Muskeln des Steuerapparats sind im Vergleich zu dem Rest der Flugmuskulatur winzig – sie besitzen  nur etwa drei Prozent der Masse der Antriebsmuskeln. Wie es ihnen dennoch gelingt, die auftretenden Kräfte bei 150 Flügelschlägen in der Sekunde zu beeinflussen, war die Ausgangsfrage der Forscher. Um sie zu beantworten, entwickelten sie eine Methode, mit der sie die Organe bei der Arbeit beobachten konnten: Sie kombinierten eine spezielle Strahlenquelle, die den lichtundurchlässigen Chitinpanzer der Tiere durchleuchtete, mit zwei Infrarot-Hochgeschwindigkeitskameras, die ein dreidimensionales Bild der Flügelstellung aufnahmen.

          Indem Sie eine lebende Fliege in dieser Apparatur um ihre Längsachse drehten, konnten sie das Insekt unter   jedem Winkel erfassen. Schicht für Schicht erstellten sie so eine Computertomographie des Insekts. Durch die gleichzeitig aufgenommenen 3D-Bilder konnten sie die Röntgenaufnahmen der jeweiligen Flügelstellung zuordnen – das Ergebniss war eine dreidimensionaler Film, der die Bewegungen im Inneren der Fliege darstellt.

          Mit den so gewonnenen Daten konnten die Forscher die Mechanik hinter den Flugkünsten der Insekten erstmals erklären. „Die Schmeißfliegen haben einen Mechanismus entwickelt, der dem Differential in einem Auto ähnelt“, sagt der Studienleiter Graham Taylor von der Oxford University. „Während die Kraft, die an die beiden Flügel übertragen wird, die gleiche bleibt, bremst die Fliege an einer Seite indem sie einen Teil der Energie an die kleinen Steuermuskeln weiterleitet, die darauf spezialisiert sind, diese Energie zu absorbieren.“

          Über ein raffiniert gebautes Gelenk wird die Kraft dann auf den Flügel übertragen. „Der Mechanismus dieses Flügelgelenks unterscheidet sich dramatisch von den Konstruktionen der Menschen“ meint Simon Walker, der Erstautor der Studie. Die Forscher erhoffen sich daher, mit ihren Erkenntnissen neue Arten Flugrobotern in Insektengröße entwickeln zu können.

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