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Fortbewegung

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Die Frau der Fäden

Ehrlich gesagt hätte ich lieber vom „Herrn der Fäden“ gesprochen, um mich nicht dem Verdacht auszusetzen, dass typischerweise Frauen spinnen und mit Fäden umgehen. Aber die Größe der Spinne auf dem Foto ist eher 2 cm als 1 cm groß, was für eine weibliche Gartenkreuzspinne spricht. Die Männchen bringen es nur auf etwa 1 cm. An dieser Spinne faszinierte mich besonders, mit welcher Behändigkeit und Schnelligkeit sie über das Netz stolzierte. Denn es ist nicht so, dass sie gegen die Klebrigkeit der Fangfäden gefeit wäre. Sie nutzt vor allem die nicht klebrigen Gerüstfäden, d.h. vor allem die diagonal verlaufendenden Speichenfäden, die als erste hergestellt werden. Bei den Tröpfchen, die hier zu sehen sind, handelt es sich um winzige Wassertröpfchen. Die Klebetropfen am spiralförmigen Fangfaden kann man mit bloßem Auge nicht sehen.

Auf der Spur einer Schnecke

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 9 (2021), S. 64 – 65

»Lerne Schnecken zu beobachten«

Susan Ariel Rainbow Kennedy (geb. 1954)

Eine Schnecke kann sich auf ihrem Schleimfilm fortbewegen, weil das Sekret je nach Art der Beanspruchung zwischen flüssig und fest wechselt. Dank der viskoelastischen Eigenschaften ihrer mobilen Unterlage vollführen die Tiere spektakuläre Kunststücke.

Schnecken sind zwar langsam unterwegs, dafür überwinden sie so gut wie jede Barriere. Sie erklimmen senkrechte Wände, gleiten über glatte oder scharfkantige Oberflächen und erreichen selbst kopfüber kriechend fast jeden Ort. Dabei hinterlassen sie deutliche Spuren in Form von Schleim (siehe oberes Foto links). Auf ihm bewegen sie sich fort, und er macht ihren Körper so glitschig, dass sie kaum zu greifen sind.

Die Tiere sondern die Unterlage je nach Bedarf entlang ihres über die ganze Bauchseite verlaufenden Fußes ab. So schaffen sie sich auf einzigartige Weise ihren eigenen Straßenbelag. Er macht sie weitgehend unabhängig von den tatsächlichen Untergründen, seien es Zweige, Blätter, Sandböden, Spinnennetze oder Fensterscheiben. Schnecken fixieren das Sekret auf jeglichem natürlichen Material, und selbst künstliche superhydrophobe Oberflächen bremsen sie nur mit Mühe aus. Der dünne Belag mit einer Dicke von gerade einmal einigen zehn Mikrometern überbrückt selbst Abgründe (siehe oberes Foto rechts). Ist die Lücke doch zu groß, verwandeln die Tiere den Schleim in einen Faden, an dem sie sich einfach abseilen (siehe mittleres Foto).

Das alles beweist: Der Schleim ermöglicht nicht nur extrem gutes Gleiten, sondern er ist zugleich reißfest, tragfähig und ähnlich stabil wie ein elastischer Festkörper. Physikalisch gesehen handelt es sich um ein vernetztes Gel, das bis zu 97 Gewichtsprozent aus Wasser und zum Rest aus hochmolekularen Protein-Polysaccharid-Komplexen besteht. Obwohl die Mixtur also hauptsächlich Wasser enthält, sind ihre Eigenschaften ganz und gar nicht typisch für dessen Verhalten. Vordergründig widersprechen sie sich sogar. Mit der Gleitfähigkeit scheint weder die Reißfestigkeit vereinbar zu sein, noch passt sie zu der Notwendigkeit, sich zum Vorankommen immer wieder abstoßen zu müssen. Denn jede Fortbewegung setzt voraus, dass man sich von der Unterlage wegdrückt. Beispielsweise wird es auf einer Eisfläche umso schwieriger, durch normales Laufen voranzukommen, je glatter sie ist.

Als so genannte nichtnewtonsche Flüssigkeit kann der Schneckenschleim die verschiedenen Ansprüche verbinden. Im Ruhezustand ist das Gel fest und klebrig. Wird es jedoch geschert – das heißt, entlang der Grenzschicht wirkt eine waagerechte Kraft –, gibt es bei einer bestimmten Stärke der Scherkraft nach. Dann geht es in den flüssigen, gleitfähigen Zustand über. Das passiert aber nur bis zu einer gewissen Tiefe, denn mit seiner Unterseite muss der Schleim ja fest auf dem zu überkriechenden Objekt fixiert bleiben. Indem sie die physikalischen Gegebenheiten fein kontrolliert, kann die Schnecke die Zähigkeit bedarfsgerecht steuern.

Beim Vorwärtskriechen laufen durch den Fuß regelrechte Wellen. Sie entstehen in Folge von Muskelkontraktionen und -entspannungen, die sich periodisch von hinten nach vorn ausbreiten. Ein ruhender Teil des Fußes ist in seinem Auflagebereich mit dem Gel fest verbunden. Von dort aus schiebt die Muskulatur den übrigen Schneckenkörper ein Stück voran. Durch die während der Kontraktion auf den Schleim ausgeübte Scherkraft wird schließlich die Schwelle überschritten, bei der das Gel nachgibt und zerrinnt. Der Zeitpunkt trifft mit der Entspannung des Muskelelements zusammen. Inzwischen kontrahieren benachbarte Abschnitte, und der zuvor verankerte Teil des Fußes gleitet über das nunmehr verflüssigte Stück. So entsteht ein quasi kontinuierlicher Vortrieb.

 Trotz der vielfältigen Einsatzzwecke des viskoelastischen Fluids bringt es für die Schnecken einige Nachteile. Neben der geringen Geschwindigkeit sind das vor allem der extreme Material- und Energieaufwand. Wegen des enormen Flüssigkeitsbedarfs müssen sich die Tiere vor Austrocknung schützen. Sie bleiben bevorzugt in feuchten und schattigen Gebieten und sind vor allem nachtaktiv. Bei widrigen Bedingungen wie Hitze und stark absorbierenden Untergründen gehen sie manchmal zu einer besonders sparsamen Akrobatik über. Sie legen ihren Schleimteppich nicht durchgehend aus, sondern mit Unterbrechungen und hangeln sich von einem Fleck zum nächsten (siehe unteres Foto). Von Artgenossen hinterlassene Spuren werden ebenfalls gern genutzt – was nicht nur die Fortbewegung beschleunigen dürfte, sondern auch die Partnersuche.

Da das Sekret am Boden verbleibt, muss die Schnecke ständig neues nachproduzieren. Das nutzt sie nicht nur zur Fortbewegung. Es bedeckt den ganzen Körper, hält ihn feucht und wehrt dank chemischer Zusätze Mikroben und sogar Beutegreifer ab. Viele potenzielle Fressfeinde meiden die Klebrigkeit oder den widerlichen Geschmack einiger Arten. Der Heimatdichter Hermann Löns (1866–1914) hat in seiner Erzählung »Ein ekliges Tier« ausdruckstark seine Abscheu beschrieben, nachdem er in einem Selbstversuch Schneckenschleim probiert hat. Dort vermischt er an einer Stelle seine Erfahrung sogar mit den physikalischen Eigenschaften, indem er berichtet, dass »Frachtkutscher, die schlecht geschmiert haben, diese Schnecken statt der Wagenschmiere gebrauchen; denn ich kann mir denken, daß selbst eine Radachse aus Angst vor einer zweiten Auflage sich fürder lautlos benimmt«.

Quelle

Mayuko Iwamoto et al.: The advantage of mucus for adhesive locomotion in gastropods. Journal of Theoretical Biology 353, 2014

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Wenn Schnecken stricheln…

Schnecken hinterlassen bekanntlich eine Schleimspur – einen schmalen Teppich, den sie sich selbst auslegen. So haben sie den Vorteil, unabhängig von beliebigen Geländestrukturen ihres Weges zu gehen. Diese Hinterlassenschaft fällt besonders dann auf, wenn sie im Licht der Sonne glänzt und oft in den schönsten Farben irisiert. Weiterlesen

Wenn Schnecken Straßen überqueren…

… dann sind sie bei vielbefahrenen Straßen meist dem Tode geweiht. Aber auch verkehrsarme Straßen sind alles andere als ungefährlich. Als ich an einem sehr sonnigen Tag eine Schnecke eine trockene Straße überqueren und eine deutliche Schleimspur hinter sich lassen sah, wunderte ich mich allein schon über den materiellen Aufwand, der hier getrieben wurde und über die Gemächlichkeit, mit der sie unter den für sie widrigen Bedingungen eine solche Herausforderung angenommen hatte. Weiterlesen

Wege 12: Hängebrücken der besonderen Art

haengebruecke_schnecke_dscf02Lerne Schnecken zu beobachten.
Susan Ariel Rainbow Kennedy (*1954)

Schnecken gehen (mir) über alles (im doppelten Wortsinn). Sie beschäftigen mich als Hobbygärtner zwangsläufig, beeindrucken mich als Wissenschaftler und faszinieren mich als Beobachter von Alltagsphänomenen mit einem Blick für das Schöne. Sie machen mich dem Motto von Joseph Beuys entsprechend zum Künstler.
Bereits in früheren Beiträgen bin ich auf die Schnecken zu sprechen gekommen (zum Beispiel hier und hier und hier). Weiterlesen

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

Wege 2: Der Weg, ein Lob des Raumes

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„Der Weg: ein Streifen Erde, den man zu Fuß begeht. Die Straße unterscheidet sich vom Weg nicht nur dadurch, daß man sie mit dem Auto befährt, sondern auch dadurch, daß sie nur eine Linie ist, die zwei Punkte miteinander verbindet … Weiterlesen

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