Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kriminalpuzzle zum Kiefernprachtkäfer

22.05.2012
Forscher berechnen Empfindlichkeit eines natürlichen Sensors

Kiefernprachtkäfer der Gattung Melanophila verfügen über ungewöhnliche Infrarotsensoren. Damit spüren sie offensichtlich auch aus großen Entfernungen Waldbrände auf, da ihre holzfressenden Larven sich nur in frisch verbrannten Bäumen entwickeln können. Seit langem rätselt die Wissenschaft darüber, wie sensitiv dieser biologische IR-Sensor wirklich ist.


Abb.1: Getrocknetes Exemplar des Schwarzen Kiefernprachtkäfers Melanophila acuminata (Sammlungsmaterial). Länge des Käfers 11 mm. Ansicht der linken Körperseite. Vorderes und mittleres Bein wurden entfernt, um den Blick auf das linke Infrarotorgan freizugeben (roter Pfeil). Am Grunde der kleinen Grube von ca. 0,3 x 0,15 mm liegt ein Feld von bis zu 90 kugelförmigen IR-Rezeptoren (s. Abb. 2). Balken 2 mm. Quelle: Helmut Schmitz/Uni Bonn


Abb.2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der kugelförmigen IR-Rezeptoren am Grunde eines IR-Grubenorgans. Die IR-Rezeptoren sind mit „salzstreuerartigen“ Ausführgängen von Wachsdrüsen vergesellschaftet, die beim lebenden Käfer ständig dünne Wachsfäden abgeben; wahrscheinlich, um die IR-Rezeptoren vor Luftströmungen und Verschmutzung zu schützen. Balken 0.02 mm. Quelle: Helmut Schmitz/Uni Bonn

Mit kriminalistischen Indizienbeweisen kommen nun Wissenschaftler der Universität Bonn und des Forschungszentrums Jülich zu dem Schluss, dass der Sensor des Käfers wahrscheinlich sogar empfindlicher sein könnte als vom Menschen konstruierte ungekühlte Infrarotsensoren. Mit dem natürlichen Vorbild eröffnen sich neue Perspektiven zum Beispiel für Waldbrand-Frühwarnsysteme. Die Ergebnisse sind nun in "PLoS ONE" veröffentlicht, der Online-Fachzeitschrift der Public Library of Science.

Kriminalfälle lassen sich oftmals nur mit Hilfe von Indizien lösen, die die Spezialisten wie ein Puzzle zusammenfügen und dann das Geschehene rekonstruieren. Ähnlich erging es Prof. Dr. Helmut Schmitz vom Institut für Zoologie der Universität Bonn und Dr. Herbert Bousack vom Peter Grünberg Institut am Forschungszentrum Jülich. Prof. Schmitz erforscht seit vielen Jahren den ausgeklügelten IR-Sensor von Prachtkäfern der Gattung Melanophila, mit dem diese sogenannten pyrophilen Insekten Waldbrände orten. Dabei handelt es sich um eine ganz besondere ökologische Nische: "Die Käferlarven fressen sich ungestört durchs tote Holz, weil sich der durch die große Hitze abgetötete Baum nicht mehr wehren kann und Fressfeinde in einem frischen Waldbrandgebiet kaum vorkommen", berichtet der Bonner Zoologe.

Die Forscher haben inzwischen das Funktionsprinzip des sogenannten photomechanischen Käfer-Infrarotsensors herausbekommen und mit Hilfe des Forschungszentrums caesar in Bonn und der Technischen Universität Dresden begonnen, dieses Vorbild der Natur technisch nachzubauen. Winzige Kutikulakugeln der Käfer-IR-Rezeptoren – mit rund 0,02 mm kleiner als der Durchmesser eines feinen Haares – sind mit Wasser gefüllt und absorbieren IR-Strahlung sehr gut. Durch die resultierende Erwärmung dehnt sich besonders das Wasser schlagartig aus – und diese Druckänderung wird durch hochempfindliche mechanosensitive Sinneszellen sofort wahrgenommen. "Allerdings war eine wichtige Frage immer noch unbeantwortet: Wie empfindlich ist der Sensor?", sagt Prof. Schmitz. Die Frage ließe sich am besten lösen, wenn Melanophila-Käfer auf Waldbrandsuche mit Minisendern ausgestattet würden. "Dann könnte man die Flugstrecke zum Brandgebiet nachvollziehen und aufgrund der Distanz die minimal notwendige Wärmestrahlung berechnen, durch die der Käfer angelockt wird", erläutert der Zoologe. Doch der Käfer ist mit ungefähr einem Zentimeter Länge zu klein, um einen Sender über viele Kilometer zu tragen.

Den findigen Forschern kam deshalb ein Ereignis in der Vergangenheit sehr gelegen: Im August 1925 brannte in Coalinga im US-Bundesstaat Kalifornien ein großes Öldepot lichterloh. "In Berichten aus dieser Zeit wird beschrieben, dass durch das Großfeuer massenhaft Kiefernprachtkäfer der Art Melanophila consputa angelockt wurden", führt Prof. Schmitz aus. Da sich der Unglücksort mitten im unbewaldeten California Central Valley befand, mussten die Käfer aus großer Distanz herangeflogen sein. Am Wahrscheinlichsten kamen sie aus den großen Waldbeständen der westlichen Gebirgsausläufer der Sierra Nevada in rund 130 Kilometer Entfernung, wo es in den beiden Vorjahren zu größeren Waldbränden gekommen war: "Auf solchen Brandflächen kommt es zu Massenvermehrung der Käfer, die dann nach dem Schlüpfen in den Sommermonaten der Folgejahre wiederum auf Waldbrandsuche gehen", sagt Prof. Schmitz. Eine rund 28 Kilometer zu den brennenden Öltanks entfernte Waldfläche in der nördlich gelegenen San Benito Mountain Natural Area erscheint als Herkunftsort der Kiefernprachtkäfer eher unwahrscheinlich, da in diesen Gebieten in den Jahren vor 1925 keine Waldbrände nachgewiesen wurden.

Der Ingenieur Dr. Herbert Bousack vom Peter Grünberg Institut des Forschungszentrums Jülich rechnete die Modelle zur Empfindlichkeit des Sensors. "Das Brandereignis in Coalinga eignet sich hervorragend für die Simulation", berichtet Dr. Bousack. Allerdings mussten erst mühsam viele Randbedingungen recherchiert werden – etwa die Größe des Feuers oder die Wetterverhältnisse. "Diese Daten waren mehr als 85 Jahre nach dem Brand schwer beizubringen." Für die mathematische Simulation nutzte der Ingenieur verschiedene Brandmodelle als Grundlage, wie sie auch bei der Risikoanalyse von Bränden in Tanklagern verwendet werden. "Wir haben diese technischen Richtlinien auf unsere Fragestellung hin angepasst und konnten damit auf einen gesicherten Erfahrungsschatz zurückgreifen", sagt der Ingenieur.

Das Ergebnis war erstaunlich: "Der Infrarotsensor von Melanophila-Käfern müsste nach unseren Berechnungen noch Signale unterhalb des thermischen Rauschens wahrnehmen können", berichtet Dr. Bousack. Offenbar bedient sich der Käfer der stochastischen Resonanz. "Diese Methode erlaubt es, dass schwache periodische Signale, die normalerweise vom Rauschen überlagert werden, detektiert werden können", erläutert der Ingenieur. Nach den Ergebnissen der Berechnungen nimmt der Sensor noch winzigste Wärmemengen wahr; in etwa vergleichbar mit der Energieauflösung von Radioteleskopen. "Unsere Simulationen und Berechnungen lassen es durchaus wahrscheinlich erscheinen, dass der Infrarotsensor von pyrophilen Melanophila-Käfern sensitiver ist, als aktuell auf dem Markt erhältliche ungekühlte Infrarotsensoren", fasst Prof. Schmitz das Ergebnis zusammen. "Weitere Anstrengungen für eine technische Umsetzung dieses natürlichen Vorbilds sind also erforderlich." Sie könnten etwa Waldbrand-Frühwarnsysteme revolutionieren.

Publikation:
Modelling a historic oil-tank fire allows an estimation of the sensitivity of the infrared receptors in pyrophilous Melanophila beetles, Online-Journal PLoS ONE, DOI: 10.1371/journal.pone.0037627

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Helmut Schmitz
Institut für Zoologie der Universität Bonn
Tel. 0228/732071
E-Mail: h.schmitz@uni-bonn.de
Dr. Herbert Bousack
Forschungszentrum Jülich
Peter Grünberg Institut PGI-8
Tel. 02461/616242
E-Mail: h.bousack@fz-juelich.de

Pressekontakt:
für die Universität Bonn:
Johannes Seiler,
Tel.: 0228 / 73-4728
E-Mail: j.seiler@uni-bonn.de
für das Forschungszentrum Jülich:
Annette Stettien,
Tel.: 02461 -61 8031
E-Mail: a.stettien@fz-juelich.de

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Kaltwasserkorallen: Versauerung schadet, Wärme hilft
27.04.2017 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

nachricht Auf dem Gipfel der Evolution – Flechten bei der Artbildung zugeschaut
27.04.2017 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

Jenaer Akustik-Tag: Belastende Geräusche minimieren - für den Schutz des Gehörs

27.04.2017 | Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

VLC 200 GT von EMAG: Neue passgenaue Dreh-Schleif-Lösung für die Bearbeitung von Pkw-Getrieberädern

27.04.2017 | Maschinenbau

Induktive Lötprozesse von eldec: Schneller, präziser und sparsamer verlöten

27.04.2017 | Maschinenbau

Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

27.04.2017 | Informationstechnologie