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Rubrik: "Schlichting! "

Über das Wasser gehen

Wasserläufer
Abb. 1. Der hier zu Lande weit verbreitete gemeine Wasserläufer (Gerris lacustris) dellt mit seinen hydrophoben Füßen die Wasseroberfläche ein. Vor allem dank der Oberflächenspannung des Wassers bewegt er sich praktisch auf festem Boden.

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 4 (2015), 52 – 54

„Auf der Grenze liegen immer
die seltsamsten Geschöpfe.“

Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

Wie sich ein Wasserläufer auf der Oberfläche eines Teichs hält, ist längst geklärt. Bei der Frage, wie sich das Insekt darauf fortbewegt, sind Forscher jedoch auf ein Paradox gestoßen.

Über Wasser zu gehen, ist ein alter Menschheitstraum. Für viele kleine Tiere ist das Kunststück jedoch Alltag: Sie bewegen sich mühelos und sogar trockenen Fußes über die Wasseroberfläche. Besonders elegant gelingt das den so genannten Wasserläufern, die zu den Wanzen zählen und die in unseren Breiten in gleich mehreren Arten vorkommen. Mit schnellen Bewegungen flitzen sie über das Wasser und machen Teiche, Tümpel und andere Gewässer für noch kleinere Beutetiere unsicher. Manche lassen sich auch von einer leichten Brise einfach über die Wasserfläche treiben, andere sieht man wie auf einem Trampolin springen.

Physikalisch gesehen ist das alles andere als ein Wunder. Denn mit abnehmender Körpergröße verringert sich die Gewichtskraft eines Tiers schneller – nämlich mit der dritten Potenz – als die „Tragekraft“ des Wassers, also die Summe seiner Auftriebs- und Oberflächenkraft. Letztere hängt nämlich vor allem von der Größe der Kontaktfläche mit dem Wasser ab und sinkt folglich nur mit der zweiten Potenz. Dank der Oberflächenspannung wirkt die Wasseroberfläche für die Tiere nun wie eine elastische Folie, sie haben also einigermaßen festen Boden unter den Füßen.

Man kann sich das auch noch genauer anschauen. Dann erkennt man, dass die schmalen Füßchen des Wasserläufers, die am Ende langer spindeldürrer Beinchen sitzen, die Wasseroberfläche zu schüsselartigen Vertiefungen eindellen. Weil sie sich durch ihre hohlspiegelartigen Reflexionen der Umgebung vom übrigen Wasser absetzen, sind sie leicht zu erkennen (Abb. 1). Die Volumina dieser Dellen sind ein Maß für das vom Wasserläufer verdrängte Wasser und damit für die Auftriebskraft.

Aber könnte das Tier nicht trotzdem einfach einsinken? Schließlich bieten seine dünnen Beinchen der Auftriebskraft kaum einen Ansatzpunkt. Doch die Beine besitzen winzige Härchen, die mit hydrophobem, also wasserabstoßendem Wachs überzogen sind. Außerdem sind sie nanofein geriffelt, sodass die hydrophobe Kontaktfläche mit dem Wasser sehr groß ist – Fachleute sprechen von Superhydrophobie. Physikalisch und chemisch hat die Natur offenbar alles „getan“, um die Wasserläufer fit für ein Leben auf dem Wasser zu machen.

Damit ist allerdings nur geklärt, warum das Tier problemlos auf dem Wasser stehen kann – doch wie bewegt es sich fort? Gleich Menschen und Tieren, die auf festem Boden laufen, muss sich auch der Wasserläufer von irgendetwas abstoßen, um voranzukommen. Physikalisch gesprochen kann der Impuls, der zur Fortbewegung in eine bestimmte Richtung führt, nur durch einen gleich großen Impuls in Gegenrichtung aufgebracht werden. Nun könnte man meinen – und die meisten Wissenschaftler taten das lange –, dass sich der Wasserläufer einfach an den Dellen im Wasser abdrückt. Dabei entstehen nämlich kleine, aber gut sichtbare Ringwellen, so genannte Kapillarwellen, und tragen den dabei übertragenen Impuls fort.

Abb. 2. Ausgewachsene Wasserläufer hinterlassen auf ihrem Weg oft eindrucksvolle Muster winziger Ringwellen. Jungtieren fehlt aber die Kraft, die Wasseroberfläche derart in Schwingung zu versetzen.

Das Problem bei dieser Argumentation: Damit der Stoß eines Wasserläuferfußes stark genug ist, um die Oberflächenspannung des Wassers zu überwinden und solche Kapillarwellen auszulösen, muss er das Wasser mit einer Geschwindigkeit von mindestens 23 Zentimeter pro Sekunde wegdrücken. Für die langbeinigen erwachsenen Tiere ist das kein Problem: Bei jedem Spurt hinterlassen sie eindrucksvolle Wellenmuster (Abb. 2). Nicht aber die Jungtiere: Die wären mit solchem Krafteinsatz völlig überfordert.Trotzdem bewegen sie sich ebenso gewandt auf dem Wasser wie ihre Eltern.

Diese Beobachtung zieht alles in Zweifel, was man über die Impulsbilanz dieses Vorgangs zu wissen glaubte. Tatsächlich waren sorgfältige Messungen nötig, um das Rätsel aufzuklären. Forscher um den Physiker John Bush vom Masssachusetts Institute of Technology konnten dabei nachweisen, dass der zum Vortrieb der Wasserläufer nötige Impuls nur teilweise durch den Impuls kompensiert wird, den die Kapillarwellen forttragen. Wichtiger für die Impulsbilanz sind vielmehr kleine Wirbel unterhalb der Wasseroberfläche, die sich entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung wegbewegen. Bei den von ihnen untersuchten Wasserläufern der Gattung Gerris remigis entdeckte die Gruppe um Bush nämlich, dass diese mit ihrem mittleren Beinpaar eine Art koordinierter Ruderbewegung ausführen (siehe Fotoserie Abb. 3) und dabei jeweils zwei Wirbel pro Bein im Wasser erzeugen. Diese Wirbelpaare vereinigen sich zu einem U-förmigen Schlauch, der entgegen der Fortbewegungsrichtung wegdriftet und dabei ein gewisses Maß an Impuls mit sich fortführt (Abb. 3).

Abb. 3. Mit seinen mittleren Beinen führt der Wasserläufer Gerris remigis ruderartige Bewegungen durch (Bilderserie Abb. 4), die zu u-förmigen Wirbeln führen (oben).

Die Notwendigkeit einer solchen Vereinigung ergibt sich aus der Helmholtzschen Wirbeltheorie. Demnach bilden Wirbel entweder geschlossene Ringe, wie wir es beispielsweise von Rauchringen kennen, oder sie müssen wie im vorliegenden Fall an der Wasseroberfläche entstehen und enden. Das Rudern des Wasserläufers ist daher ganz ähnlich wie das Rudern im Boot. Auch dort wird das Paar von Wirbelenden, das man erzeugt, wenn man die Ruder aus dem Wasser hebt, durch einen Wirbelschlauch unter dem Boot hindurch verbunden.
Wasserläufer beherrschen aber noch einen weiteren Trick, den kaum jemand kennt. Nähern sie sich kleinen, auf der Wasseroberfläche driftenden Objekten – schon der Teil eines Blatts genügt – , nehmen diese Reißaus, als ginge von den Wasserläufern eine abstoßende Kraft aus. Diese Kraft existiert tatsächlich, sie geht allerdings nicht von den Tieren selbst aus, sondern von den konvexen Menisken rund um die Dellen, in denen ihre hydrophoben Füße ruhen. Umgekehrt sind die treibenden Objekte meist hydrophil, also benetzbar, und bilden deshalb einen konkaven Meniskus aus. Kommen einander konkave und konvexe Menisken schließlich zu nahe, stoßen sie einander ab (siehe „Gleich und Gleich gesellt sich gern„, August 2012, S. 49).

Was passiert nun, wenn ein Wasserläufer einem großen konkaven Meniskus begegnet? Wenn sich das Wasser am Rand seines Teichs oder in der Umgebung bestimmter Wasserpflanzen hochwölbt, hält es das Tier auf Abstand. Größeren Wasserläufern macht das zwar nichts aus – wenn sie an Land wollen, können sie das Hindernis einfach überspringen –, aber kleineren Tierchen wie dem nur 2,8 bis 3,5 Millimeter großen Wasserläufer Mesovelia, der bei oberflächlicher Betrachtung wie eine Larve von Gerris aussieht, muss dieser Randmeniskus wie eine kaum zu bezwingende spiegelglatte Anhöhe erscheinen.

Abb. 4. Mit seinen mittleren Beinen führt der Wasserläufer Gerris remigis ruderartige Bewegungen durch, die zu U-förmigen Wirbeln führen (Grafik oben). Foto: Wilfried Suhr

Doch Mesovelia kennt einen ebenso einfachen wie genialen physikalischen Kunstgriff. Er kann mit seinen Vorder- und Hinterkrallen die Wasseroberfläche hochziehen und die Dellen mit schierer Muskelkraft von ihrer konvexen in eine konkave Form umstülpen. Die Topologie des Randmeniskus bleibt dabei unverändert, und doch erlebt das Tier die vormals ansteigende Rutschbahn nun als abschüssige Wegstrecke.

Doch halt: Wie soll das gelingen, schließlich sind doch auch die Beine von Mesovelia superhydrophob? Es gibt einen Unterschied zu Gerris: Mesovelia verfügt über spezielle Krallen, die hydrophil sind und an denen das Wasser haften bleibt. So geht Muskelenergie direkt in Oberflächenenergie über – ganz anderes als bei seinen Verwandten, wo sie in Bewegungs- und Höhenenergie des jeweiligen Insektenkörpers sowie in Bewegungsenergie des ihn tragenden Wassers umgewandelt wird. Mesovelia agiert also aus einer quasistatischen Konfiguration heraus: Ohne sich selbst fortbewegen zu müssen, wird es von seiner Umgebung bewegt.

Den überraschenden Effekt kann man mit einem Suppenteller voll Wasser und einigen auf seiner Oberfläche verteilten Styropor- oder Korkkrümeln leicht nachstellen. Man muss nur mit der Pinzette eine Heftzwecke kopfüber auf das Wasser setzen, und schon gehen die Krümel blitzschnell auf Abstand. Zieht man die Heftzwecke wieder etwas hoch – sodass das Wasser gerade noch an ihr haften bleibt –, eilen die Krümel zurück und sammeln sich um die Zwecke herum.

Literatur:

Hu, D.L. Chan, B., Bush, J. W. M.: The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature 424, S. 663 – 666, 7. August 2003
Hu, D.L., Bush, J.W.M.: Meniscus-climbing insects. Nature 437, S. 733 – 736, 29. September 2005.

Dies ist die Einreichversion der Publikation Über das Wasser gehen

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Diskussionen

9 Gedanken zu “Über das Wasser gehen

  1. Das ist toll, muss ich ausdrucken 😀
    Dank dir!

    Verfasst von kopfundgestalt | 21. April 2021, 21:16
  2. Bin beim nochmaligen Lesen auf folg. gestossen:

    Doch Mesovelia kennt einen ebenso einfachen wie genialen physikalischen Kunstgriff. Er kann mit seinen Vorder- und Hinterkrallen die Wasseroberfläche hochziehen und die Dellen mit schierer Muskelkraft von ihrer konvexen in eine konkave Form umstülpen. Die Topologie des Randmeniskus bleibt dabei unverändert, und doch erlebt das Tier die vormals ansteigende Rutschbahn nun als abschüssige Wegstrecke.

    Beim Hochziehen der Wasserhaut geht doch das Konkave ins Konvexe über?!

    Verfasst von kopfundgestalt | 25. April 2021, 14:05
    • Der Rand eine Delle ist nach außen gekrümmt wie die Rückseite eines Löffels, also konvex. Nach außengestülpt ist die Krümmung wie bei einer Kehle an einer Mauer, nach innen gekrümmt, also konkav. Es kommt also auf die Krümmung an und nicht darauf ob es eine Vertiefung oder Erhebung ist.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 25. April 2021, 14:25

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