Pendel per Verdauungstrakt: Schwingung hilft Raupen bei der Fortbewegung

Der Magen-Darm-Trakt der Tabakschwärmer-Raupe schwingt frei, vom Außenkörper des Tieres entkoppelt. Das biomechanische Zwei-Körper-System, im Tierreich bisher völlig unbekannt, erleichtert den Raupen effektiv das Kriechen und kann künftigen Robotern als Energie effizientes Vorbild dienen

Raupe in Bewegung
Raupe in Bewegung

Medford (USA) - Wer beim Gehen die Arme im Takt schwingen lässt, erhöht seine Stabilität und senkt vor allem den Energieaufwand, weil der Schwung die Vorwärtsbewegung unterstützt. Vergleichbar arbeitet die Raupe des Tabakschwärmers, wie US-Forscher jetzt verblüfft feststellten. Allerdings lässt sie nicht ihre Extremitäten pendeln, sondern ihr Innenleben: Ihr Körper besteht offenbar aus zwei entkoppelten, unabhängig schwingenden Teilen besteht. Das zeigte sich jetzt in Röntgenaufnahmen kriechender Raupen: Ihr gesamter Verdauungstrakt ist nur am Kopf und Hinterteil mit dem Außenkörper verbunden. Kriecht das Tier nun vorwärts, so berichten die Forscher im Fachblatt "Current Biology", so schwingt der Magen-Darm-Schlauch - und damit der Körperschwerpunkt - immer einen Tick früher nach vorne als die äußere Körperhülle. Ein solches "Eingeweide-Kolben-Bewegungssystem" ist bislang von keinem anderen Tier bekannt. Nach diesem Vorbild sollen neue Roboter entwickelt werden, mit entsprechend effizienterer Fortbewegung.

"Das Verstehen dieses neuartigen Bewegungssystems kann helfen, Roboter mit weichem Körper zu entwickeln", erklärt Barry Trimmer, Professor für Biologie an der Tufts University, "und es könnte eine neue Untersuchung auslösen, welche Rolle weiche Gewebe in den biomechanischen Abläufen von Menschen und anderen Tieren spielen". Gemeinsam hatten Biologen und Physiker, von der Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech), der Brandeis University und des Argonne National Laboratory, die Raupen des Tabakschwärmer (Manduca sexta) näher unter die Lupe genommen. Beim Kriechen bewegen sich die rund sieben Zentimeter langen grünen Larven wie andere Raupen in wellenartigen Bewegungen nach vorn: Die äußere Hülle des Körpers kann sich in sich stauchen und dehnen, während die daran fixierten Beine von einem Standort zum nächsten gehoben werden.

Die Forscher nutzten Phasenkontrast-Synchrotron-Röntgenaufnahmen, kombiniert mit Durchlichtmikroskopie und konnten so die Bewegung der inneren Weichteile im Raupenkörper sichtbar machen. Dabei setzten sie Vergleichspunkte auf die Darmwand der frei kriechenden Raupen und auf ihre am Außenkörper befestigten, so genannten Bauchbeine - stummelförmige Extremitäten in der Körpermitte, die beim Festhalten helfen. Bei Raupen ist der Verdauungstrakt samt Magen eine weiche Röhre, von Muskeln umschlossen: ein so genanntes offenes Zölom.

Anders als bei Würmern sind die Körpersegmente bei Raupen auch nicht durch Zwischenwände im Inneren abgetrennt. So ist das Zölom quasi frei zwischen Kopf und Afterbereich aufgehängt und von der Außenhaut entkoppelt. Wie die Aufnahmen zeigen, schwingt das Zölom beinah einen vollen Schritt vor den äußeren Körperstrukturen, allerdings im gleichen Takt wie Kopf und Hinterteil. Obendrein bewegten sich Punkte innerhalb des Verdauungstrakts mit unterschiedlichem Tempo. Das deutet darauf hin, dass sich auch das Körperinnere beim Kriechen - wie das Äußere, aber unabhängig davon - dehnt und staucht, so die Forscher. Sie sprechen von einem "mechanischen Zwei-Körper-System mit einem nichtlinearen elastischen Darm, der zwischen Vorderteil und Hinterteil die Größe verändert und sich verschiebt". Die neuen Erkenntnisse verlange künftig kompliziertere Modelle der Fortbewegung von Weichkörpern. Schließlich seien von außen potenziell wichtige Veränderungen im Körperschwerpunkt - aufgrund interner Gewebebewegung - verschleiert. Klar sei: Dies gleiche keiner anderen bisher bekannten Form einer Fortbewegungsart auf Beinen.

"Die Raupen schienen sich mithilfe eines Zwei-Körper-Systems vorwärts zu schieben - dies könnte zur außerordentlichen Bewegungsfreiheit beitragen, die man in diesen Weichkörper-Krabblern sieht", erklärt Michael Simon, Hauptautor der Studie. Ursprünglich hatte er nur das Nervensystem der Tabakschwärmer-Larven untersuchen wollen. Nun sei weitere Forschung nötig, um herauszufinden, ob das Bewegungsphänomen den Raupen einen Evolutionsvorteil verschafft. Auch für die Konstruktion von Robotern könnte dies wertvolle Informationen liefern, so Simon: "Bisher hat man sich auf das äußere Design von Robotern konzentriert. Aber wir müssen auch betrachten, wie man möglichst optimal das Innere des Roboters und jederlei Traglast optimal arrangiert. Würde etwa die Bewegung verbessert, wenn man mehr Masse nach hinten packt, wie es diese Raupen zu tun scheinen?"