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Materialwissenschaften: Geheimnisvolle Baukunst

Platz und Material sparend verzahnen sich die einzelnen Zellen einer Bienenwabe zu einem Muster von bestechend präziser Geometrie. Die tierischen Handwerker müssen die regelmäßigen Strukturen weder vermessen noch konstruieren, denn das Gebilde vollendet sich nahezu von selbst - dank des Baumaterials.
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Um die zukünftigen Kinderstuben für die Brut oder Vorratskammern zur Speicherung von Blütenstaub und Honig zu errichten, beherbergen die Arbeiterinnen der Honigbienen eine kleine Wachsfabrik in ihrem Körper: An der Unterseite ihres Hinterleibs schwitzen sie dünne Plättchen aus, die sie mittels Borsten an den Beinen aus den Bauchtaschen herausziehen, nach vorne weiterreichen und schließlich mit den kräftigen Mundwerkzeugen zu einem Wachsklumpen kneten. Aus diesen Baumaterial formen sie Stück für Stück die Wabe – ein aus mehreren tausend kleinen Kammern zusammengefügtes Gebilde, dessen Zellen durch eine Mittelwand voneinander getrennt jeweils nach beiden Seiten gerichtet sind.

Als typischer Baustil gelten gleichseitige sechseckige Prismen, bei deren Ausführung die Bienen im Vergleich zu anderen geometrischen Formen bei gleichem Fassungsvermögen am wenigsten Wachs verschwenden. Nur wie gelingt es den tierischen Architekten, diese regelmäßigen und präzisen Winkel und Dimensionen der Zellen zu verwirklichen, ohne dass ihr Bauwerk aus außerordentlich dünnen Wänden in Schieflage gerät? Oder entstehen die Wabenmuster gar nicht von "Bienenhand", sondern möglicherweise von allein – wie es sich häufig in Systemen mit sich selbst organisierenden Eigenschaften beobachten lässt?

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Bienenwaben | Platz und Material sparend verzahnen sich die einzelnen Zellen einer Bienenwabe zu einem Muster von präziser Geometrie. Um diese Gebilde zu formen, müssen die Arbeiterinnen keinerlei mathematische Berechnungen oder komplexe Messungen von Längen und Winkeln durchführen. Die regelmäßige Struktur ist vielmehr das Ergebnis des im erwärmten Zustand verformbaren Wachses, das ein flüssiges Gleichgewicht erreicht, fanden Forscher um Christian Pirk von der Universität Würzburg heraus.
Christian Pirk und seine Kollegen von der Universität Würzburg beleuchteten näher, wie die Honigbienen ihre Zellen "modellieren". Um ein präzises Abbild von der inneren Oberfläche der Wachskammern zu erhalten, füllten sie die Waben mit einem Polyester-Harz. Als sie die bei Raumtemperatur erhärteten Abgüsse sorgfältig entfernten, wiesen die Blöcke eine hexagonale Form mit einer halbkugelförmigen Spitze auf – ganz im Gegensatz also zu dem traditionellen geometrischen Modell einer Wabenzelle, deren Boden angeblich drei Rauten bilden. Offensichtlich handelt es sich um eine optische Täuschung, folgern die Wissenschaftler, welcher der Betrachter infolge der versetzt angeordneten Zellen in Zweierreihen beim Blick durch die halbdurchsichtigen Waben aufsitzt.

Zudem untersuchten die Forscher, wie sich verschiedene flüssige Wachse mit Schmelzpunkten zwischen 45 und 83 Grad Celsius – darunter Bienenwachs, Candellilawachs, Carnaubawachs und Paraffin – nach dem Gießen in vorgegebene Formen verhalten: Auf Plastiktabletts ordneten sie dazu zylindrische Gummipfropfen mit einem Durchmesser von 18 und 24 Millimeter an der Basis (als Ersatz für die "Arbeiterinnen"- bzw. "Drohnen"-Zellen) an, wobei sich die Zentren der Kreise in demselben Abstand zueinander befanden, der gewöhnlich für die Baubienen charakteristisch ist. Beim Erhärten der Wachse beobachteten sie jeweils die sich herauskristallisierenden Muster und zeichneten sie thermografisch auf. Durch dieses Verfahren gelang es den Wissenschaftlern, regelmäßige Hexagone und andere Polygone herzustellen – in großem Maßstab.

Um zu überprüfen, ob die Arbeiterinnen das Wachs während der Bautätigkeit erwärmen, installierten sie fünf Thermosensoren zwischen zwei ebenen Lagen von Bienenwachs-Fundamenten, die sie in einem Stock mit ungefähr 2000 Bewohnerinnen platzierten. Über einen Zeitraum von drei Wochen zeichneten die Geräte jede Minute die Wachstemperatur auf. Da die Wände mit weniger als 70 Mikrometer hauchdünn sind und die Insekten nahe der Baubienen angebrachte Sensoren zu entfernen versuchen, konnten die Messungen nur in etwa einem Zentimeter Distanz von der "Fassade" stattfinden. Gleichzeitig kontrollierten die Forscher mindestens zweimal täglich die Bauarbeiten und vermerkten Zeitpunkt und Position der neu errichteten Strukturen.

Wie die Daten der Thermosensoren enthüllten, betrug die Wachstemperatur in Bereichen ohne handwerkliche Aktivitäten weniger als 29 Grad Celsius. An den "Baustellen" stieg sie jedoch deutlich auf Werte zwischen 35 und 37 Grad Celsius an. Wahrscheinlich ist die aktuelle Temperatur während des Wabenbaus infolge des zwangsläufigen Messabstandes sogar noch höher als die tatsächlich aufgezeichnete, spekulieren die Wissenschaftler. Da es sich bei Wachs um ein thermoplastisches Baumaterial handelt – gewöhnlich wird es bei etwa 40 Grad Celsius formlos und modellierbar –, fließt es bereitwillig unter leicht erhöhten Temperaturen, welche die Seite an Seite in benachbarten und gegenüberliegenden runden Röhren arbeitenden Bienen ausstrahlen.

Beim Ausdehnen einer Zelle zu ihrer endgültigen Größe erhitzen die Insekten das Wachs, sodass sich die zunächst runden Wände schrittweise verlängern und hexagonal werden. Vom Baubeginn an sind die einzelnen Kammern am Boden zudem halbkugelförmig gewölbt. Die regelmäßige Wabenstruktur ist somit das Ergebnis des im erwärmten Zustand verformbaren Wachses, das ein flüssiges Gleichgewicht erreicht, betonen die Forscher um Pirk. Demnach müssen die Honigbienen keinerlei mathematische Berechnungen oder komplexe Messungen von Längen und Winkeln durchführen, um die präzise Geometrie im Stock zu verwirklichen.
22.06.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 22.06.2004

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