Mit fließenden Füßen der Schwerkraft trotzen

„Fließende“ Härchen an den Füßen ermöglichen es Käfern, an der Decke zu laufen. Das haben Forscher um Dr. Thomas Eimüller (Leiter der DFG Nachwuchsgruppe „Magnetische Mikroskopie“ am Sonderforschungsbereich 491 „Magnetische Heteroschichten“ der Ruhr-Universität) mittels Röntgenmikroskopie erstmals beobachten können.

Sie stellten fest, dass sich die flachen Enden der vielen Tausend winzigen Härchen, aus denen das Insektenbein besteht, beim Kontakt mit der Oberfläche wie eine zähe Flüssigkeit verhalten. Dieses viskoelastische Fließen vergrößert die wirksame Kontaktfläche und ermöglicht so eine hohe Haltekraft, die das Körpergewicht übertrifft und das Tier an der Decke hält. Über ihre Arbeiten berichten die Forscher in der aktuellen Ausgabe von Journal of Experimental Biology.

Eine alte Frage

Schon Aristoteles wunderte sich über die Fähigkeit von Insekten, an der Decke zu laufen. Als Ursachen wurden Haken, Saugnäpfe oder klebrige Flüssigkeiten vermutet. In jüngerer Zeit widerlegten systematische Untersuchungen diese Hypothesen. Vielmehr zeigte sich, dass ein Insektenfuß aus tausenden von feinen, mikrometerkleinen Härchen besteht, die über Adhäsionskräfte an der Oberfläche haften. Das Unterteilen der Kontaktfläche in sehr viele Einzelkontakte ist dabei ein wirksames Prinzip zum Erreichen hoher Haltekräfte. Eine Fliege etwa besitzt mehr als 5000 Hafthärchen. Je schwerer das Tier, desto zahlreicher und feiner sind die Haare. So verfügen Geckos über etwa 500 000 feinste Härchen mit Abmessungen von nur 0,2 bis 0,5 Mikrometern.

Eine neue Technik

Mit bisherigen Techniken wie der Elektronenmikroskopie war es jedoch nicht möglich, die feinen Hafthaare im frischen Kontakt mit dem Untergrund zu studieren, da man die Proben trocknen und im Vakuum untersuchen musste. Der Physiker Dr. Thomas Eimüller suchte daher zusammen mit dem Biologen Dr. Stanislav Gorb vom Max-Plank-Institut für Metallforschung in Stuttgart, nach einer neuen Abbildungstechnik. Mit einem Röntgenmikroskop des Synchrotronstrahlungslabors BESSY II in Berlin und der Hilfe des dort arbeitenden Physikers Dr. Peter Guttmann gelang es ihnen, Insektenhaare im frischen Kontakt mit einer Auflösung von ca. 30 nm zu studieren. Die Insektenhärchen wurden dazu in Kontakt mit einer sehr dünnen Folie gebracht, die für Röntgenstrahlung durchlässig ist. „Diese Methode ermöglicht es, Materialdicken nanometergenau zu vermessen“, erklärt Dr. Eimüller.

Von Käfern lernen

Die Forscher fanden bei den Hafthärchen von Fliegen und Käfern ein viskoelastisches Fließen der Haarenden vor. Diese vergrößerten sich beim Kontakt mit der Oberfläche wie eine zähe Flüssigkeit. Die Insekten erreichen damit sowohl eine Anpassung an die Rauhigkeit der Oberfläche als auch ein Vergrößern der wirksamen Kontaktfläche. Beides steigert die Haltekraft. Zum Abheben der Füße müssen die Insekten deswegen einen Kniff benutzen: Sie ziehen die Hafthärchen vermutlich von der Seite her ab, wie man einen Streifen Klebeband abzieht. „Von diesen Tricks, die Käfer seit Millionen von Jahren nutzen, können wir heute lernen“, meint Dr. Eimüller. Das Ziel der Zusammenarbeit mit den Stuttgarter Biologen ist die Entwicklung von Polymerhaftfolien, die auf den Prinzipien der Insektenhaftung beruhen. „Der Traum, wie Spiderman an den Wänden von Hochhäusern zu kleben, rückt mit den neuen Erkenntnissen ein Stück näher.“

Titelaufnahme

T. Eimüller, P. Guttmann, S. N. Gorb: Terminal Contact Elements of Insect Attachment Devices Studied by Transmission X-ray Microscopy, The Journal of Experimental Biology 211, 1958-1963 (2008)

Weitere Informationen

Dr. Thomas Eimüller, Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-23648, E-Mail: thomas.eimueller@rub.de