Wie Insekten ihre Flügel schlagen

Insekten waren die ersten fliegenden Lebewesen auf der Erde. Die ältesten Fossilien geflügelter Insekten sind mehr als 300 Millionen Jahre alt. Doch bis heute ließ sich die komplexe Mechanik der Insektenflügel nicht im Detail erklären. Um diese Wissenslücke zu schließen, beobachtete ein Forschungsteam nun zahlreiche Fliegen bei verschiedenen Flugmanövern und analysierte die Daten anschließend mithilfe künstlicher Intelligenz und Computermodellen. Wie die Forschenden in der Fachzeitschrift „Nature" berichten, offenbaren ihre Ergebnisse das komplexe Zusammenspiel von Muskeln, Gelenken und dem Insektenkörper.

Die Bewegungsapparate von verschiedenen Insektenarten wie Käfern, Libellen oder Fliegen unterscheiden sich deutlich. Doch die grundlegenden Prinzipien des Flügelschlags sind für alle Insekten ähnlich. Diese entschlüsselten Johan M. Melis vom California Institute of Technology in den USA und sein Team am Beispiel von Taufliegen. Mit Hochgeschwindigkeitskameras zeichneten sie insgesamt 485 Flugmanöver von 82 Fliegen auf. Simultan beobachteten sie die Aktivität von zwölf Insektenmuskeln im Zusammenspiel mit den vier Gelenkknöchelchen, den Skleriten, die den Körper mit dem Flügel verbinden. Möglich war dies mithilfe von genetisch veränderten Taufliegen, die ein fluoreszierendes Protein enthalten, das die Muskelaktivität sichtbar macht.

Analyse der Flugmanöver

Muskelaktivität während des Fluges

Anschließend analysierten die Forschenden die aufgezeichneten Abläufe mithilfe von künstlicher Intelligenz und konnten so für jedes Manöver erkennen, welche Gelenke und Muskeln aktiv waren. Das Ergebnis: Während die meisten Muskeln für die Ausrichtung der Flügel verantwortlich waren, sorgten einige weitere Muskeln neben den Verformungen des Insektenkörpers für die kraftvollen Flügelschläge. Um ihre Analysen zu überprüfen, speisten die Forschenden die gewonnenen Daten dann in ein Fliegenmodell im Computer ein, das die physikalischen Abläufe im Fliegenkörper simuliert. Dabei zeigte sich, dass die eingegebenen Werte für Gelenkbewegung und Muskelaktivität tatsächlich zu den gleichen Flügelbewegungen und Flugmanövern wie bei einer lebenden Taufliege führen.

Insgesamt decken sich die neuen Ergebnisse mit älteren, deutlich weniger detailreichen Beobachtungen des Flügelschlags. Darüber hinaus gelangen aber viel genauere Einblicke in das komplexe Zusammenspiel der zwölf Muskeln, den vier Skleriten des Flügelgelenks und des Insektenkörpers. Möglicherweise ließen sich auf dieser Basis nun auch wendigere und effizientere Flugroboter nach dem Vorbild der Insekten entwickeln.