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Wenig Halt für Käferbeine dank Blattfältchen

Wer hat's erfunden? Mal wieder ist die Natur als Vorbild unschlagbar. Sie entwirft Pflanzenoberflächen, auf denen Insekten perfekten Halt finden und andere, auf denen sie sicher abrutschen, je nach "Bedarf" der Pflanze. Dr. Bettina Prüm, Dr. Holger Bohn und Prof. Dr. Thomas Speck vom Botanischen Garten der Universität Freiburg haben herausgefunden, woran es liegt, dass Käfer auf speziell strukturierten Blattoberflächen einfach keinen Halt finden. Diese intelligente Strategie der Natur wollen sie nun im Sinne der Bionik gemeinsam mit dem Freiburger Zentrum für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien (FIT) technisch umsetzen, um Schadinsekten von unerwünschten Orten wie Vorratsspeichern oder Medikamentenlagern fernzuhalten.

Kartoffelkäfer bei Laufreibungskraftversuch auf Blattoberfläche © Plant Biomechanics Group Freiburg

Das Übertragen von Phänomenen aus der Natur auf die Technik hat es schon immer gegeben. Das wohl älteste bekannte Beispiel ist Leonardo da Vincis Bestreben, den Vogelflug durch eine Maschine zu kopieren. Die Natur hat im Lauf der Evolution Strukturen unter gegebenen Herausforderungen entwickelt und optimiert, die über Milliarden Jahre getestet wurden. Dass die Technik sich schon lange von der Natur inspirieren lässt, das weiß auch Prof. Dr. Thomas Speck, Direktor des Botanischen Gartens der Universität Freiburg. „In der Biologie entwickeln sich häufig Formen und Strukturen, die hinsichtlich des Energie- und Materialbedarfs besonders sparsam sind“, sagt er, „und gerade heute in Zeiten der nachhaltigen Technologieentwicklung ist das durchaus interessant.“

Dabei haben sich seiner Meinung nach bei gleichbleibenden Ideen für Umsetzungen in die Technik zwei Dinge wesentlich verändert: Zum einen sind die Untersuchungsmethoden, die biologischen Vorbilder zu analysieren, deutlich besser geworden und zum anderen gibt es für die Umsetzung zahlreiche neue Möglichkeiten. „Das ist der Grund, warum wir uns mit der Bionik im goldenen Zeitalter befinden“, so der Botaniker, „man kann die Biologie analysieren, man kann sie verstehen, umsetzen und dann auch noch mit vertretbarem Aufwand in technische Produkte übertragen.“

Unbegehbare Flächen für Käferbeine

Blattoberflächen mit verschiedener Struktur. Form der Epidermiszellen: eben (i), konvex (ii), papillös (iii). Mikrostruktur: Wachsfilm ohne Struktur (o), epikutikulare Wachskristalle (wc), Kutikularfalten (cf). a. Immergrüne Magnolie, b. Gemeine Pfingstrose, c. Korbmarante, d. Kakibaum, e. Strauch-Pfingstrose, f. Taro, g. Kautschukbaum, h. Weinrebe, i. Hybride Floribunda cv. ´Sarabande` (Floribundarose) © Plant Biomechanics Group Freiburg, with kind permission from the Beilstein Journal of Nanotechnology
Auf manchen Pflanzenoberflächen können Insekten perfekt laufen, auf anderen hingegen rutschen sie ständig ab. Dies kann innerhalb einer Pflanze, sogar eines Pflanzenorgans variieren. Diese Unterschiede entstehen getrieben vom Selektionsdruck. Fressende Insekten sollen vermieden werden, Bestäuber sind indes herzlich willkommen. Deshalb finden Beinchen auf Blütenblättern oft guten Halt. Keine Chance haben Insektenbeine beispielsweise auf Blättern des Kautschukbaums (Hevea brasiliensis), auf denen sie gnadenlos ins Schlittern kommen. Eine Pflanze hat unterschiedliche Hierarchieebenen zur Gestaltung ihrer Blätter. Schon im Bereich der Epidermis kann die Zelle glatt, gewölbt oder papillös geformt sein. Darauf befindet sich die Kutikula als äußerste, meist dünne Schicht mit mechanischen Eigenschaften ähnlich einer Frischhaltefolie. Sie kann mit Wachskristallen bedeckt sein und eigene vielfältige Strukturen bilden. Es sind diese winzigen Mikrostrukturen der Kutikula, die die Käfer rutschen lassen. Thomas Speck, Holger Bohn und Bettina Prüm haben im Rahmen von Prüms Doktorarbeit verschiedene Pflanzenoberflächen genau unter die Lupe genommen. Dabei fanden sie heraus, dass Kutikularfalten von ganz speziellem Ausmaß dazu führen, dass Insekten darauf sehr schlecht laufen können. „Diese Falten sind nur einen halben Mikrometer hoch und dick, bei einem Abstand von einem halben bis eineinhalb Mikrometern zueinander“, erklärt Speck. Er nennt die Falten trotzdem "mittelhoch", weil es noch kleinere und größere Gebilde gibt. Gerade diese Größe stellt nun für die Käfer ein echtes Problem in Sachen Fortbewegung dar. Warum das so ist, versteht, wer sich auch die Käferbeinanatomie genauer ansieht.

Kräfte von einem Millinewton

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Haftsysteme eines männlichen Kartoffelkäfers (Leptinotarsa decemlineata) © Plant Biomechanics Group Freiburg, mit freundlicher Genehmigung aus Beilstein Journal of Nanotechnology

Am Ende seiner sechs Beine befindet sich das erste Haftsystem eines Käfers, die Klauen, die bei relativ großen Unebenheiten gut funktionieren und dem Tier Halt geben. Auf anderen Oberflächen, etwa auf Glas, kommt das zweite System zum Einsatz, die extrem flexiblen und zahlreichen Hafthärchen, die oberhalb jeder Klaue angeordnet sind und sich gut an glatte Flächen schmiegen können. Die Haftung hängt, laut Thomas Speck, nur indirekt von der Kontaktoberfläche ab, sondern vielmehr von der Größe der Kontaktaußenlinie um die Auflagefläche des Härchens herum, das auf dem Untergrund liegt. Da die Haare zu steif sind, um zwischen die kleinen Faltenstrukturen zu kommen und die Klauen hier zu groß sind, wird die Kontaktzone massiv auf weniger als ein Tausendstel reduziert und das Insekt rutscht.

„Die Käfer fühlen sich ziemlich unwohl und mögen nicht darauf laufen, sie schliddern wie auf Eis“, erzählt der Bionik-Experte. Lägen die Falten etwas weiter auseinander, könnten die Härchen sich dazwischen biegen, wären sie enger beieinander, gäbe es insgesamt wieder eine größere Kontaktzone. „Es gibt diesen Bereich, der für die Käferhaftung am schlechtesten ist“, erläutert Speck, „und darauf scheinen diese mittelhohen Kutikularfalten mit ihren Maßen optimiert zu sein.“ Über die Funktion von Falten in der Kutikula war bislang bekannt, dass sie beispielsweise die Optik über den Brechungsindex verändern können, aber über die mechanische Funktion wusste man nur wenig.

Versuchsaufbau zur Messung der Lauf-Reibungskräfte im Milli-Newtonbereich. © Plant Biomechanics Group Freiburg, mit freundlicher Genehmigung aus Beilstein Journal of Nanotechnology

Im Versuch wird ein Kartoffelkäfer (als typischer Käfertyp, der zudem das ganze Jahr zur Verfügung steht) mit einem Wachströpfchen am Rücken über ein Haar mit einem Kraftsensor verbunden. Der Käfer marschiert zu einer Lichtquelle hin über eine natürliche Blattoberfläche oder ein mit Epoxydharz abgeformtes, exaktes Replik einer Pflanzenoberfläche. Dabei zieht er an dem Haar, das die Lauf-Reibungskräfte im Millinewtonbereich an den Sensor weiterleitet. Auf Glas hat das Tier eine Haftkraft von etwa 45 mN, auf einer glatten Zellwand mit Wachsschicht wird die Haftung bereits um 70 Prozent im Vergleich zu Glas herabgesetzt. „Beim Kautschukbaum ist sie sogar um 95 Prozent reduziert“, erzählt der Botaniker, „da bekommt er fast gar keinen Kontakt mehr.“

Anwendung als Spray oder Folie

Gemeinsam mit dem Freiburger Zentrum für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien (FIT) möchte Speck diese brillante Idee der Natur in die Technik umsetzen. Anwendung könnte sie überall dort finden, wo empfindliche Güter wie Nahrungsmittel oder Medikamente wegen Verunreinigungsgefahr vor Schadinsekten wie Kakerlaken oder Schwarzkäfern, die sich überwiegend laufend fortbewegen, geschützt werden müssen. Eine erste Anwendung gibt es bereits in Form eines Sprays von den Kooperationspartnern um Prof. Dr. Christoph Neinhuis von der Technischen Universität Dresden. Man sprüht ein Polymer auf beliebige Materialien, das den Oberflächen charakteristische Strukturen verleiht. „Unser Ziel ist eher die Folientechnik“, sagt Speck. Er stellt sich eine Art breites Teppichklebeband vor, das insbesondere in den Tropen an Gebäuden wie Getreidespeichern angebracht, Kakerlaken und andere Schadinsekten den Zugang erschweren soll. „Eine Folie wäre eine kostengünstige Methode, die leicht auf jedem Material anzubringen wäre und zudem den Pestizideinsatz einschränken würde“, meint er.

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