Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

3-D-Film zeigt das Innere fliegender Insekten

26.03.2014

Mithilfe von Röntgenlicht aus einem Teilchenbeschleuniger konnten Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Flugmuskeln von Fliegen in 3-D erstellt werden.

Ein Team der Oxford University, des Imperial College (London) und des Paul Scherrer Instituts PSI entwickelte an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI ein bahnbrechendes CT-Aufnahmeverfahren, mit dem sie das Innere von fliegenden Insekten filmen konnten. Die Filme gewähren einen Einblick in das Innere eines der komplexesten Mechanismen der Natur und zeigen, dass Strukturverformungen entscheidend dafür sind, wie eine Fliege ihren Flügelschlag steuert.


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

Abbildung aus der Veröffentlichung, Verwendung unter Nennung der Quelle gestattet.

In der Zeit eines menschlichen Augenaufschlags 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 3-D-Filmen der Flugmuskeln kombiniert.“

Langjährige Entwicklung

„Mit diesem Versuch wurde ein Meilenstein in der tomografischen Mikroskopie mit Röntgenstrahlung erreicht. Es lassen sich Einzelheiten der Muskulatur der Fliege in einer Grössenordnung von einigen Tausendstelmillimetern erkennen, sodass wir ihre Bewegung mit einer bisher einmaligen Zeitauflösung verfolgen können“, erläutert Marco Stampanoni, Leiter der Forschungsgruppe Röntgentomografie am PSI und Professor an der ETH Zürich. „Dies ist das Ergebnis einer langjährigen Entwicklungsarbeit von Forschenden am PSI, dank der sich die SLS auf dem Gebiet der tomografischen Bildgebung an der vordersten Front der Entwicklung befindet.“

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 % der Gesamtmasse der Flugmuskulatur einer Fliege aus“, erklärt Graham Taylor, der die Studie in Oxford 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 mechanischer Energie spezialisierten Steuermuskel umleiten, ähnlich wie die Gangschaltung beim Auto, die beim Herunterschalten eine Bremswirkung erzielt.“

Das wohl komplexeste Gelenk

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 auf grossartige Weise, 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.“

Text auf Grundlage einer Medienmitteilung der Universität Oxford

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Lernende, Doktorierende oder Postdoktorierende. Insgesamt beschäftigt das PSI 1900 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 350 Mio.

Kontakt / Ansprechpartner:

Prof. Graham Taylor ist Associate Professor für mathematische Biologie am Fachbereich Zoologie der Universität Oxford. Tel. +44 1865 271219; graham.taylor@zoo.ox.ac.uk

Dr. Simon Walker ist ein Royal Society University Research Fellow am Fachbereich Zoologie der Universität Oxford. Tel. +44 1865 271223; simon.walker@zoo.ox.ac.uk

Für Informationen zu den bildgebenden Verfahren wenden Sie sich bitte an Dr. Rajmund Mokso, Strahllinien-Wissenschaftler am Paul Scherrer Institut; Tel. +41 56 310 5628; rajmund.mokso@psi.ch

Für Informationen zur sensorischen Motorsteuerung von Insekten wenden Sie sich an den Leiter für Neurobiologie Dr. Holger Krapp, Reader (associate Professor) für Systemische Neurowissenschaften, am Fachbereich Bioengineering des Imperial College London, Tel. +44 20 7594 2014; h.g.krapp@imperial.ac.uk

Originalveröffentlichung:
Walker, SM, Schwyn, DA, Mokso, R, Wicklein, M, Müller, T, Doube, M, Stampanoni, M, Krapp, HG, Taylor, GK. In vivo time-resolved microtomography reveals the mechanics of the blowfly flight motor. PLoS Biol 12(3): e1001823 (2014). doi:10.1371/journal.pbio.1001823 http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.1001823

Zuwendungen:
Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen führten, wurden mit Mitteln aus dem 7. Forschungsrahmenprogramm der Europäischen Gemeinschaft (FP7/2007-2013) unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 226716 und der EFR-Finanzhilfevereinbarung Nr. 204513 an GT unterstützt. Die instrumentelle Ausrüstung wurde durch PSI FOKO-Mittel unterstützt (Anträge Nr. 20100810 und 20110908).

Weitere Informationen:

http://youtu.be/P6lBkK3J9wg - Film 1
http://youtu.be/ehG4G-NOTQg - Film 2
http://youtu.be/mVL6cWbOZRQ - Film 3

Dagmar Baroke | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: Brustkorb Energie Fliege Flugmuskeln Insekten Muskeln PSI Scherrer Stampanoni Synchrotron Versuchsaufbau Zoologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Pflanzenmütter kommunizieren mit ihren Embryonen über das Hormon Auxin
17.07.2018 | Institute of Science and Technology Austria

nachricht Wie Krebszellen Winterschlaf halten
16.07.2018 | Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden

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: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Im Focus: First evidence on the source of extragalactic particles

For the first time ever, scientists have determined the cosmic origin of highest-energy neutrinos. A research group led by IceCube scientist Elisa Resconi, spokesperson of the Collaborative Research Center SFB1258 at the Technical University of Munich (TUM), provides an important piece of evidence that the particles detected by the IceCube neutrino telescope at the South Pole originate from a galaxy four billion light-years away from Earth.

To rule out other origins with certainty, the team led by neutrino physicist Elisa Resconi from the Technical University of Munich and multi-wavelength...

Im Focus: Magnetische Wirbel: Erstmals zwei magnetische Skyrmionenphasen in einem Material entdeckt

Erstmals entdeckte ein Forscherteam in einem Material zwei unabhängige Phasen mit magnetischen Wirbeln, sogenannten Skyrmionen. Die Physiker der Technischen Universitäten München und Dresden sowie von der Universität zu Köln können damit die Eigenschaften dieser für Grundlagenforschung und Anwendungen gleichermaßen interessanten Magnetstrukturen noch eingehender erforschen.

Strudel kennt jeder aus der Badewanne: Wenn das Wasser abgelassen wird, bilden sie sich kreisförmig um den Abfluss. Solche Wirbel sind im Allgemeinen sehr...

Im Focus: Neue Steuerung der Zellteilung entdeckt

Wenn eine Zelle sich teilt, werden sämtliche ihrer Bestandteile gleichmässig auf die Tochterzellen verteilt. UZH-Forschende haben nun ein Enzym identifiziert, das sicherstellt, dass auch Zellbestandteile ohne Membran korrekt aufgeteilt werden. Ihre Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Behandlung von Krebs, neurodegenerative Krankheiten, Alterungsprozessen und Virusinfektionen.

Man kennt es aus der Küche: Werden Aceto balsamico und Olivenöl miteinander vermischt, trennen sich die beiden Flüssigkeiten. Runde Essigtropfen formen sich,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

Conference on Laser Polishing – LaP: Feintuning für Oberflächen

12.07.2018 | Veranstaltungen

Materialien für eine Nachhaltige Wasserwirtschaft – MachWas-Konferenz in Frankfurt am Main

11.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vertikales Begrünungssystem Biolit Vertical Green<sup>®</sup> auf Landesgartenschau Würzburg

16.07.2018 | Architektur Bauwesen

Feinstaub macht Bäume anfälliger gegen Trockenheit

16.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Krebszellen Winterschlaf halten

16.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics