Warum zarte Insektenflügel nicht brechen

Dublin (Irland) - Das feine Gitternetz, das die fragilen Flügel von Libellen, Fliegen oder auch Heuschrecken durchzieht, hat einen doppelten Nutzen: Es macht die Strukturen zum einen leicht und dennoch stabil, berichten US-Forscher. Zum anderen verhindert es schwerwiegende Brüche des Flügels, weil es feinste Risse schon im Anfangsstadium stoppt. Die Hautmembran zwischen dem Gitternetz, die die eigentliche Tragfläche bildet, ist dabei dünner als erwartet, schreibt das Team im Fachblatt „PLoS ONE“, nachdem es Flügel von Heuschrecken mechanischen Belastungstests unterzogen hatte. Doch anders als Knochen kann die Membran bei einem Riss nicht wieder zusammenwachsen. Diese sind im Insektenleben durch Kämpfe, Verschleiß oder Materialermüdung aber typisch. Stattdessen bremst das offenbar optimal verästelte Gitternetz die Ausbreitung des Schadens, so die Forscher. Ihr Ergebnis dürfte auch leichte Tragflächen für Mikro-Fluggeräte stabiler machen. Eventuell könne die Analyse, rückwärts angewandt, sogar die Flugfähigkeit heute ausgestorbener Insekten beschreiben helfen.

„Wüstenheuschrecken sind die Marathonflieger der Insektenwelt“, erklärt Jan-Henning Dirks von der Abteilung Ingenieurwissenschaften des Trinity College Dublin, „sie können tagelang über Wüsten und Ozeane fliegen, mit Flügeln, die zehnmal dünner sind als ein menschliches Haar.“ Im Team von David Taylor hatte er vor einer Weile nachgewiesen, dass die Haut der Heuschreckenbeine zu den zähesten Naturmaterialien der Welt zählt. Sie besteht vor allem aus amorphen, eng vernetzten Proteinen und wird bei Hüpfern so gut wie nie beschädigt. Da die Flügel der Wüstenheuschrecke (Schistocerca gregaria) ebenfalls aus dieser – nur dünneren – Haut bestehen, schnitten die Forscher kleine Kerben in diese nur 1,7 bis 3,7 Mikrometer dicke Membran. Dann maßen sie die Kraft, die nötig wäre, einen solchen Riss durch den ganzen Flügel zu treiben. Doch die Membranhaut alleine stellte sich als nicht sehr zerstörungsfest heraus. Allerdings zeigten die Videos des Experimentes, dass die meisten Risse effektiv gestoppt wurden, sobald sie auf einen der feinen Wülste trafen, aus denen das stabilisierende Gitternetz besteht. Die meisten Längswülste über die Länge des Hauptflügels sind bis zu 150 Mikrometer dick, innen hohl und enthalten teils Nervenstränge und Flüssigkeit. Die Querstreben sind unregelmäßiger und trocken. Zusammen bilden sie ein stabiles, elastisches Netzwerk mit beinah tausend kleineren und größeren „Membranzellen“ – und erhöhen die Zähigkeit des Flügels deutlich.

„Verglichen mit der dünnen Flügelmembran sind die Zwischenwülste relativ schwer. Entsprechend will man so wenige Wülste wie nötig, um das Gewicht der Flügel niedrig zu halten“, so Dirks. Zuwenige davon allerdings böten weniger Schutz gegen Risse, wie das Video zeige, ein optimaler Kompromiss sei wichtig. Um dies zu untermauern, testeten die Forscher die mechanische Belastbarkeit an ganzen Flügeln ebenso wie an den winzigen Häuten einzelner Membranzellen. Das Ergebnis: Die Größe der meisten dieser Zellen lag an oder unterhalb der sogenannten kritischen Risslänge der Membranhaut von 1132 Mikrometern. Die kritische Risslänge ist eine Materialkonstante: bleibt der Riss kürzer, so ist das Material auch unter Belastung noch stabil – ist er länger, so führt er zu weiteren unkontrollierten Rissen und damit meist zur Zerstörung. Bei den Heuschreckenflügeln kommt der komplette Bruch sehr selten vor, fasst Taylor zusammen: „Dank solch präziser Abstände der Querwülste werden die Risse immer gestoppt, bevor sie diese kritische Länge erreichen und weiterwachsen. Die Natur hat eine mechanisch ‚optimale‘ Lösung für die Heuschreckenflügel gefunden.“