Würzburg

Die Technik-Tricks der Tiere

Perfekte Kleber, optimale Bauweisen, ideale Werkzeuge: Tiere sind Meister der Technik. Aus der Zoologischen Lehrsammlung der Uni gibt's verblüffende Beispiele zu sehen.
Biologe Dr. Dieter Mahsberg betreut seit vielen Jahren die Zoologische Lehrstammlung der Universität. Jetzt zeigt er ausgewählte Schätze zum Thema Bionik. Foto: Thomas Obermeier

Vor hundert Jahren, da konnte man den Einfallsreichtum der Natur in der Würzburger Residenz bestaunen und bewundern. Im 18. Jahrhundert schon hatte der Naturforscher Bonavita Blank in Würzburg mit dem Sammeln von Tieren begonnen und ein „Kabinett der Kunsthistorie“ angelegt. Das wuchs, das Naturalienkabinett eines Franziskanerklosters kam dazu, und Ende des 19. Jahrhunderts nahm das neue Zoologische Institut der Universität die Sammlung auf. Schließlich kam um 1900 ein Teil der Objekte zur öffentlichen Anschauung ins „Fränkische Museum für Naturkunde“ in der Residenz. „Eine Attraktion wie heute das Senckenberg-Museum in Frankfurt“, sagt Biologe Dr. Dieter Mahsberg. Präparate, Skelette, Schädel quer durchs Tierreich – die Besucher konnten staunen.

„Und am 16. März 1945 war es vorbei.“ Der Bombenangriff auf Würzburg am Ende des Zweiten Weltkriegs hatte den Bestand der Zoologischen Sammlung fast vollständig zerstört. Doch die Universität benötigte für ihre Studenten Anschauungsmaterial. Ab 1953 begannen die Biologen, wieder eine Lehrsammlung aufzubauen. Erst hatte die Sammlung am Röntgenring ihren Platz, ab 1990 dann im neu gegründeten Biozentrum am Hubland. „Ein Stück konservierte Biodiversität“, sagt Dr. Dieter Mahsberg, der – inzwischen im Ruhestand – die Sammlung seit vielen Jahren betreut.

Rund 900 Arten wirbelloser Tiere, Insekten nicht eingeschlossen, sind darin versammelt. Mehr als 500 Arten von Wirbeltieren mit Ganzpräparaten, Nass-Sammlungen, allein 270 Vogelbälgen, 80 Skeletten und Schädeln. Und dazu rund 400 Insektenkästen – voll mit Schmetterlingen, Käfern und Hautflüglern. Über Jahrzehnte waren diese Objekte – als Botanik und Zoologie in der Biologie noch einen anderen Stellenwert hatten – wichtiger Teil der Ausbildung. Heutzutage? Dominieren Molekularbiologie und andere moderne Fächer. Und die Biologiestudenten laden sich Filme über die Tierwelt und zoologische Spezialfragen im Internet herunter. „Viele Universitäten haben ihre zoologischen Lehrsammlungen entsorgt“, sagt Zoologe Dr. Dieter Mahsberg. In Würzburg aber „schlummern noch Schätze“.

Und die sollen bewahrt – und wenn möglich auch gezeigt werden. Zum zweiten Mal nun stellt sich die Zoologische Lehrsammlung der Universität im Botanischen Garten mit einer Ausstellung der Öffentlichkeit vor. Dieses Mal rücken Sammlungsbetreuer Dieter Mahsberg und Dr. Gerd Vogg, der Wissenschaftliche Kustos des Botanischen Gartens, Tiere in den Mittelpunkt, die wegen bestimmter Körperstrukturen oder aufgrund ihrer chemisch-physikalischen Eigenschaften das Interesse des Menschen geweckt haben. Erfindungen der Natur, die Vorbild für Technik und Industrie waren – oder vielleicht noch werden.

Wer weiß schon, dass die Borsten der Seemaus ein idealer Lichtleiter sind? Oder die Miesmuschel den stärksten Biokleber produziert?

„Galleria Zoologica 2.0: Tiere als Entdecker“: im Botanischen Garten der Universität Würzburg am Dallenberg. Zu sehen bis 5. Mai, täglich von 8 bis 16 Uhr, ab April bis 18 Uhr. Eintritt frei!

Der Super-Klebstoff

Klebt perfekt, auch unter Wasser, alle Materialien: die Byssus-Fäden der Miesmuscheln. Foto: Thomas Obermeier

Wer gerne Meeresfrüchte isst, kennt sie. Auch jedem Wattwanderer fallen sie auf: die dunkelblauen, länglichen Schalen der Miesmuscheln, die im Wattenmeer riesige Muschelbänke bilden. Wie aber können sie Brandung und Gezeitenströmungen trotzen? Möglich macht das ein Superkleber: Die Sekrete der Byssus-Drüsen erhärten sich zu starren, extrem stabilen Fäden. Die Byssus-Fäden enden in einer kleinen Platte, die durch Adhäsionskräfte blitzschnell am Untergrund haftet – unter Wasser und auf jedem Material. „Selbst unsere besten synthetischen Klebstoffe sind diesem Miesmuschelkleber unterlegen“, sagt Dieter Mahsberg. Wechselt die Muschel den Ort, kann sie den Kleber wieder ablösen und die Kleber-Eiweiße komplett abbauen. In der Zahnmedizin werden Byssus-Fäden zum Fixieren von Implantaten genutzt. Und selbst Herzklappen lassen sich damit verkleben.

Die Leichtbauweise

Hält was aus und ist trotzdem superleicht: Schnitt durch einen Elefantenschädel. Foto: Thomas Obermeier

Was haben Elefanten für massige Schädel und was für lange Stoßzähne! Und die Backenzähne können bis zu fünf Kilo schwer werden. Im Vergleich zum Körpergewicht ist ihr Skelett eindeutig das schwerste aller Landsäugetiere. Umso verblüffender, wie leicht der Elefantenschädel ist, der doch den langen Rüssel tragen und harte Kopfstöße aushalten muss. Der vordere Schädelbereich enthält zwischen einer oberen und unteren Deckmembran aus sehr hartem Knochen wabenartige Kammern, die mit Schleimhaut ausgekleidet und durch dünne Lamellen voneinander getrennt sind. „Sandwich-Bauweise“, sagt Zoologe Dr. Dieter Mahsberg dazu. „Sie erlaubt es, die Belastbarkeit des Schädelknochens deutlich zu steigern, ohne dafür schwerer zu werden.“ Das Gehirn des Elefanten – etwa vier Mal größer als unser menschliches – ist dadurch gut geschützt.

Der ideale Materialverbund

Was das ist? Der Kauapparat eines Seeigels. Foto: Thomas Obermeier

Zu den faszinierendsten Werkzeugen im Tierreich gehört der Kauapparat eines Vegetariers: des Seeigels. Er weidet den Algenteppich des Meereshartbodens ab. Und der extrem beanspruchte Kauapparat – auch „Laterne des Aristoteles“ genannt – arbeitet dabei wie ein fünfbackiger Greifer. Er besteht aus einem mechanisch sehr komplexen System von Zähnen aus Kalk. Genauer: aus zwei verschiedenen Kalkmodifikationen, die sich in ihrer Belastbarkeit auf Druck- und Zugkräfte unterscheiden und durch eine Art Nanozement zusammengehalten werden. „Der dadurch extrem harte, immer scharfe und permanent nachwachsende Seeigelzahn ist damit ein Beispiel für einen ungewöhnlichen Mehrkomponentenverbund aus chemisch gleichen, physikalisch aber unterschiedlichen Materialien“, sagt Zoologe Dieter Mahsberg.

Die beste Haftung

Wie eine Vogelspinne mühelos über alle Flächen laufen kann? Dank Tausender Hafthärchen an den Füßen.   Foto: Thomas Obermeier

Milben können es. Marienkäfer können es. Spinnen und Baumfrösche und fast alle Geckos können es auch: auf senkrechten Flächen laufen oder gar mit dem Rücken nach unten sitzen, über rauen oder nassen Untergrund rennen, egal in welcher Körperposition. Physikalisch betrachtet handelt es sich um Adhäsion: die gegenseitige Anhaftung unterschiedlicher Oberflächen, bei der intermolekulare Kräfte wirksam sind. Die Haftung ist umso größer, je mehr Haftoberfläche Kontakt mit dem Untergrund hat. Vogelspinnen zum Beispiel besitzen besondere Haarpolster, fein wie Samt, an ihren Füßen. Unter dem Raster-Elektronenmikroskop erkennt man, dass sich die Haare in Tausende filigraner Fäden verzweigen. 10 000 Hafthaare pro Quadratmillimeter ergeben bis zu 50 Millionen Kontaktpunkte. Auch beim Gecko wirken Millionen von feinen Härchen an den Füßen.

Optimale Flugeigenschaften

Optimierte Anatomie für die Lüfte: Flügelform und Federkleid von Vögeln sind von der Evolution perfekt entwickelt.  Foto: Thomas Obermeier

Ikarus hat es schmerzlich erfahren: Der Mensch wird nie wie ein Vogel fliegen können. Viel zu schwer sind die menschlichen Knochen und der Schädel, viel zu schwach ist die Armmuskulatur. Nicht ohne Grund sind die Knochen von Vögeln mit Luft gefüllt. „Einen Vogelflügel eins zu eins nachbauen zu wollen, funktioniert nicht“, sagt Biologie Dr. Dieter Mahsberg. „Dafür sind die Komponenten als Produkt der Evolution viel zu sehr aufeinander abgestimmt.“ Und ein Vogel, der über große Strecken gleitet, benötigt andere Flügel und Federn als ein Vogel, der im Dickicht Kleintiere jagt. Überhaupt machen die Federn viel aus: Speziell geformt, können die Vögel damit perfekt steuern: „Ein aufgestellter Daumenfittich beim Falken zum Beispiel verhindert, dass die Luftströmung auf der Flügeloberseite gefährlich abreißt.“

Faltung in Perfektion

Falten sich sekundenschnelle auf - und von selbst wieder zu: die Fliegflügel eines Käfers.  Foto: Thomas Obermeier

Der Regenschirm öffnet sich von selbst. Aber er schließt sich nicht von alleine. Beim Insektenflügel gelingt das Entfalten und Zusammenlegen von selbst und ganz leicht: nicht über Muskelkraft oder Hydraulik, sondern allein durch Spannungskräfte im Flügel selbst. Bei Käfern zum Beispiel liegen die dünnhäutigen Flug-Flügel unter den schützenden Deckflügeln – und müssen sich in Sekundenbruchteilen öffnen und auf das Vierfache ihrer Fläche vergrößern können. Nicht nur deshalb versuchen Techniker, das Faltprinzip für Anwendungen nachzuahmen. Insektenflügel sind „nach heutigem Stand der Technik die effizientesten Spanten-Spreiten-Tragekonstruktionen, was die Anforderungen ans Fliegen betrifft“. Die dünne Spreite wird zickzackartig zwischen luftgefüllten Trage-Adern verspannt. „Das versteift den Flügel und verhindert Verwindungen.“

Der optimierte Hydraulikbagger

Keiner scharrt und gräbt besser: Kralle des Ameisenbärs. Foto: Thomas Obermeier

„Da können sich Hydraulikbagger etwas abgucken“, sagt der Zoologe. Die Krallen von Ameisenbär und Schuppentier sind ideale Vorbilder für Baggerschaufeln und Grabungswerkzeuge. Der Ameisenbär kann mit seiner mächtigen, sichelförmigen Scharrkralle am dritten Finger selbst betonharte Bauten von Ameisen und Termiten aufreißen. Auch die Schuppentiere sind mit ihren großen Krallen, die als Grabwerkzeug und Kletterhaken dienen, hoch spezialisiert. Die Krallen arbeiten tatsächlich wie Bagger: Die Tiere schlagen erst ein Loch in den Boden, verringern den Winkel zwischen Krallenachse und Unterarm auf 90 Grad und reißen diesen dann ruckartig hoch. Die Beine dienen dabei als Stütze. Und der hornartige Krallennagel bricht dabei oder verschleißt nicht, weil er speziell gekrümmt ist und die auftretenden Spannungen bestens verteilt.

Die beste Zange

Die einzige Vogelart, die ihren Oberschnabel bewegen kann: Schädel eines Papageis. Foto: Thomas Obermeier

Papageienschnäbel sind Biomechanik in Perfektion. Die tropischen Vögel, von denen es etwa 350 Arten gibt, können dank ihres spezialisierten Schnabels selbst die härtesten Paranüsse knacken. „Dies gelingt den Papageien durch spezielle Umbauten ihres Schädels“, sagt Biologe Dieter Mahsberg. Während bei allen anderen Vögeln der Oberschnabel fest mit dem Schädelknochen verwachsen ist, lässt er sich beim Papagei bewegen. Durch das sogenannte Craniofacial-Gelenk kann der Vogel den Oberschnabel so weit anheben, dass er auch große Samen und Nüsse greifen und halten kann. Außerdem kann der Unterkiefer vor- und zurückgleiten, eine Querstufe im Gaumen dient als Widerlager und durch kräftige Muskeln werden die Schnabelhälften zur idealen Rohrzange. So wirken die einzelnen Glieder im Papageienschnabel quasi als „kinematische Kette“.

Aerodynamik

Von wegen plump: Fürs schnelle Fortkommen im Wasser sind Pinguine bestens ausgestattet.  Foto: Thomas Obermeier

Die plumpen, pummeligen Pinguine als Vorbild für aerodynamische Körper? Keineswegs stromlinienförmig gebaut, sind Pinguine im Wasser extrem schnell: „Weil sie Meister der Strömungsanpassung sind“, sagt Dr. Dieter Mahsberg. Das Kleid aus Stummelfedern reduziert Turbulenzen und setzt den Strömungswiderstand herab. „Besser als bei einem Sportflitzer!“ Wissenschaftler haben Modelle des spindelförmigen Pinguin-Körpers im Strömungskanal getestet und festgestellt, dass er dem Wasser ein Drittel weniger Widerstand als jede bislang in der Technik entwickelte Rumpfform entgegensetzt. Auch bei den drallen Robben gibt es diesen Effekt – dank des speziellen Haarkleids. Und Haie, die auf bis zu 80 Kilometer pro Stunde beschleunigen können, nutzen ihre Haut: Die besteht aus lauter kleinen, feinen Hautzähnchen, die den Strömungswiderstand absenken.

Die ideale Klimaanlage

Warum der mächtige Schnabelaufsatz nicht nur Schmuck ist? Weil er Hornvögel kühlt.   Foto: Thomas Obermeier

Südamerikanische Tukane und die Hornvögel Afrikas haben riesige Schnäbel. Manchmal machen sie ein Drittel der Körperlänge aus. Wenn sie dann noch bunte, auffällige Fortsätze haben, lässt sich damit prächtig imponieren. Warum die wuchtigen Aufsätze aber keine Belastung sind und beim Fliegen nicht stören? Weil sie aus leichtem Hornmaterial bestehen mit feinen Lamellen im Inneren. Und nicht nur zum Angeben ist so viel Schnabel gut: „Messungen mit Infrarotkameras haben gezeigt, dass Tukane und Hornvögel ihre Schnäbel als wirksame Wärmetauscher einsetzen“, sagt Dr. Dieter Mahsberg. „Über die große Oberfläche kann überschüssige Körperhitze abgegeben werden, ohne dass wie beim Hecheln wertvolle Atemflüssigkeit verloren geht.“ Gesteuert wird die Wärmeabgabe über die Blutgefäße im Schnabel, die sich verengen oder erweitern lassen.

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