Bahnbrechender Erfolg in der tomografischen Mikroskopie 3D-Film zeigt das Innere fliegender Insekten

Das Innere des Brustkorbs der Fliegen. Sichtbar sind die fünf untersuchten Steuermuskeln (grün bis blau) und die Kraftmuskeln (gelb bis rot)
Das Innere des Brustkorbs der Fliegen. Sichtbar sind die fünf untersuchten Steuermuskeln (grün bis blau) und die Kraftmuskeln (gelb bis rot)

Wissenschaftler des schweizerischen Paul Scherrer Instituts PSI haben mit Hilfe von Röntgenlicht aus einem Teilchenbeschleuniger ein völlig neuartiges CT-Aufnahmeverfahren entwickelt, mit dem sie Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Flugmuskeln fliegender Insekten in 3D erstellen und somit das Innere der Insekten während des Fluges filmen können.

Der Flügelschlag von Insekten ist für uns nahezu unvorstellbar schnell. Zum Vergleich: In der Zeit, die ein Mensch für einen Augenaufschlag braucht, kann eine Schmeissfliege 50-mal mit ihren Flügeln schlagen und dabei jeden einzelnen Flügelschlag mit zahlreichen winzigen Steuermuskeln kontrollieren – manche davon sind so dünn wie ein Menschenhaar.

In den membranartigen Flügeln selbst sitzen keinerlei Muskeln; alle Flugmuskeln sind unsichtbar im Brustkorb versteckt. »Das Gewebe im Brustkorb der Fliege lässt kein sichtbares Licht durch, kann aber mit Röntgenstrahlen durchleuchtet werden«, erklärt Rajmund Mokso, der für den Versuch verantwortliche Forscher am PSI. »Indem wir die Fliegen in einem speziellen Versuchsaufbau für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz herumdrehten, konnten wir mit hoher Geschwindigkeit einzelne zweidimensionale Röntgenaufnahmen anfertigen, auf denen die Flugmuskulatur in allen Phasen des Flügelschlags aus mehreren Blickwinkeln zu sehen war. Diese Aufnahmen haben wir zu 3D-Filmen der Flugmuskeln kombiniert.«

Damit lassen sich Einzelheiten der Muskulatur der Fliege in einer Größenordnung von einigen Tausendstelmillimetern erkennen, so dass man ihre Bewegung mit einer bisher einmaligen Zeitauflösung verfolgen kann.

Kleine Muskeln steuern große Muskeln

Als Reaktion auf das Herumdrehen im Versuchsaufbau versuchten die Fliegen, in die entgegengesetzte Richtung zu fliegen. So ermöglichten sie den Forschenden die Aufzeichnung der asymmetrischen Muskelbewegungen beim Kurvenflug. »Die Steuermuskeln machen weniger als 3 Prozent der Gesamtmasse der Flugmuskulatur einer Fliege aus«, erklärt Graham Taylor, der die Gemeinschaftsstudie an der Oxford University leitete. »Daher war es eine der Kernfragen, wie die Steuermuskeln die Leistung der viel größeren Kraftmuskeln beeinflussen können. Die Kraftmuskeln arbeiten symmetrisch, jedoch kann die Fliege bei jedem Flügel – durch den Wechsel zwischen verschiedenen Schwingungsarten – Kraft in einen auf die Absorption mechanischerEnergie spezialisierten Steuermuskel umleiten, ähnlich wie die Gangschaltung beim Auto, die beim Herunterschalten eine Bremswirkung erzielt.«

Vielfältige Anwendungen in der Mikromechanik

Die Forschenden erhoffen sich, ihre Ergebnisse für den Entwurf von neuen mikromechanischen Geräten nutzen zu können. »Die Fliegen haben hier ein Problem gelöst, vor dem Ingenieure in demselben Größenbereich stehen“, so Taylor. »Wie werden verhältnismäßig große, komplexe Bewegungen in drei Dimensionen mit mechanischen Komponenten generiert, die eigentlich nur kleine, einfache Bewegungen im Eindimensionalen erzeugen können?«

Das geniale Design des Flugmotors der Schmeissfliege löst dieses Problem, wie die Ergebnisse dieser Studie zeigen. Simon Walker aus Oxford, der zusammen mit Daniel Schwyn Ko-Erstautor der Studie ist, fügt hinzu: »Das Flügellager der Fliege ist wohl das komplexeste Gelenk, das in der Natur vorkommt. Es ist das Ergebnis von über 300 Millionen Jahren evolutionärer Vervollkommnung. Das Ergebnis ist ein Mechanismus, der sich enorm von den herkömmlichen Konstruktionen unterscheidet, die von Menschen geschaffen wurden. Er setzt auf Krümmen und Beugen, statt wie ein Uhrwerk zu laufen.«

Sehen Sie hier einige der Bewegtbilder der Forscher im Video: