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Was Libellen zu Flugkünstlern macht

Der Nachweis eines elastischen Proteins in den Flügeln der Libellen erklärt, warum diese Insekten wahre Akrobaten der Lüfte sind. Das gummiartig vernetzte Molekül schafft eine biegsame Verbindung zwischen bestimmten Längs- und Queradern und sorgt so dafür, dass die Flügel auf aerodynamische Kräfte mit gezielten Formänderungen reagieren.


Die Insekten waren die Flugpioniere unter den Lebewesen. Schon vor über 300 Millionen Jahren eroberten sie den Luftraum und beherrschten ihn dann gut 150 Millionen Jahre lang unangefochten. Erst danach mussten sie ihn mit Echsen, Vögeln und schließlich Fledermäusen teilen. Zu den "Veteranen" der biologischen Luftfahrt gehören auch die Libellen; unter anderem weist sie die urtümliche Form ihrer Flügel als "Oldtimer" der Evolution aus. Dennoch zählen Libellen zu den geschicktesten Fliegern im Insektenreich. So praktizierten sie als erste Lebewesen den Beutefang in der Luft: Seit fast 200 Millionen Jahren schnappen sie sich ihre Opfer im Flug.

Das schaffen sie nur, weil sie extrem schnell und wendig sind. Libellen manövrieren äußerst präzise und können selbst bei Wind auf der Stelle schweben. Dazu muss die Flügelkonstruktion an sich widersprüchliche Eigenschaften vereinigen. Einerseits dürfen die Flügel nicht brettartig starr, andererseits aber auch nicht beliebig verformbar, also "lappig" sein. Um rasche und gezielte Flugmanöver zu erlauben, müssen sie sich fortwährend den wechselnden aerodynamischen Kräften anpassen, das heißt kontrolliert in ihrer Gestalt verändern.

Vögel setzen für diesen Zweck Muskeln ein, die bis in die Enden ihrer Schwingen reichen. Doch die Insektenflügel enthalten keine Muskeln. Sie bestehen durchgehend aus Cuticula, einer aus Eiweiß und Chitin zusammengesetzten Substanz, die mit der pflanzlichen Zellulose verwandt ist. Sie bildet sowohl die glasig-durchsichtige Doppelmembran der so genannten Flügelzellen als auch die verdickten Längs- und Queradern, die als tragendes Grundgerüst die Flügel durchziehen und zugleich als Atemröhren dienen.

Detaillierte Untersuchungen durch einen von uns (Gorb) am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen zeigten nun, dass nur ein Teil der Verbindungen dieses Fachwerks starr ist. Beim Rest sind die Adern über ein gummi-ähnlich verformbares Protein namens Resilin verleimt. Es handelt sich also um bewegliche Mikrogelenke.

Resilin kommt wahrscheinlich bei allen Insekten vor – in den Sprungsystemen von Käfern, Flöhen, Schaumzikaden und Heuschrecken, desgleichen in der Bauchcuticula von Arbeitern der Honigameisen und einiger Termiten sowie in der Nahrungspumpe mehrerer Wanzen. Es findet sich außerdem in den Sehnen der Flugmuskeln bei Heuschrecken und Libellen.

Resilin ist ein Strukturprotein, dessen Name sich von dem lateinischen Wort für "zurückschnellen" herleitet. Es lässt sich leicht erkennen, da es in ultraviolettem Licht intensiv bläulich fluoresziert. Sein chemischer Aufbau ist zwar noch nicht vollständig bekannt, ähnelt aber dem von Elastin, das bei den Wirbeltieren eine analoge Funktion hat.

Die charakteristische Fluoreszenz beruht auf zwei ungewöhnlichen Aminosäuren. Außerdem enthält Resilin einen hohen Anteil an polaren Bausteinen, die eine starke Wechselwirkung zwischen verschiedenen Abschnitten der langkettigen Proteinmoleküle bedingen. So kommt es höchstwahrscheinlich zur einer Vielzahl von Knicks und Quervernetzungen, wie sie auch vom Gummi bekannt sind. Sie stabilisieren die dreidimensionale Gestalt des Moleküls und verhindern so, dass es sich bei mechanischer Belastung dauerhaft, also plastisch, verformt.

Im Libellenflügel sind die Resilin-Gelenke derart aneinander gereiht, dass sie regelrechte "elastische Achsen" bilden, die vom Körper der Libelle zu den Flügelenden hin verlaufen (Bild oben). Auf diese Achsen wirken während des Flügelschlags Torsionskräfte, sodass sie verdrillt werden. Dabei wird in jedem der beteiligten Resilin-Gelenke elastische Energie gespeichert, und am Ende des Flügelschlags, wenn keine aerodynamischen Kräfte mehr angreifen, wieder freigesetzt. Dadurch schwingt der Flügel automatisch in seine Ausgangsstellung zurück. Auf diese Weise stellt sich stets der günstigste Anstellwinkel ein, der den stärksten Vorschub bringt. Ein weiterer Effekt kommt hinzu: Weil die Resilin-Gelenke in annähernd parallelen Achsen liegen, wölben sich die Flügel während des Schlags und erhalten dadurch ein optimales aerodynamisches Profil.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass außer den Resilin-Achsen zwei weitere Konstruktionsmerkmale zur hohen Elastizität des Libellenflügels und zu seinen günstigen aerodynamischen Eigenschaften beitragen. Das erste ist ein spezielles Faltungsmuster des Flügels. Jedes dreidimensional gefaltete Objekt hat eine asymmetrische Verwindungssteifheit, die von der Orientierung der Versteifungselemente abhängt. Der zweite zusätzliche Faktor ist die Ultrafeinstruktur sehr dünner Membranareale in den Flügelelementen. Jüngsten Untersuchungen zufolge werden sie durch ein Fasernetzwerk versteift, das vorzugsweise in einer bestimmten Richtung orientiert ist. Das macht sie je nach Ausrichtung des Hebelarms besonders stabil. Gegenwärtig benutzen wir ein speziell entwickeltes faseroptisches Messsystem, um die mechanischen Eigenschaften der elastischen Gelenke des Libellenflügels quantitativ zu bestimmen.

Im Licht der neuen Befunde erscheinen Libellenflügel jedenfalls als frühe Meisterstücke der Evolution: als in Gestalt und Material perfekt konstruierte Flugwerkzeuge, die auch nach Hunderten von Jahrmillionen noch keineswegs veraltet sind.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 2000, Seite 12
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
7 / 2000

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 7 / 2000

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