3D-Modell eine Käfergelenks

Lebenswissenschaften: Käfer mit Schraubengelenk

Mit der Synchrotronstrahlungsquelle ANKA haben Forscher das Hüftgelenk eines Käfers in 3D dargestellt, obwohl es nur einen halben Millimeter groß ist. Dabei entdeckten sie das erste bekannte Schraubengewinde der Natur.

Die Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) untersuchten das Gelenk des Rüsselkäfers Trigonopterus oblongus mit einem neu installierten Mikrotomografen. Ähnlich wie ein gewöhnlicher Tomograf durchleuchtet das Gerät das Gewebe Schicht für Schicht mit Röntgenstrahlung, der Computer setzt daraus ein dreidimensionales Bild der Dichteverteilung zusammen. Allerdings ermöglicht ein Mikrotomograf Auflösungen im Mikrometerbereich und hat viel kürzere Belichtungszeiten als konventionelle Röntgenröhren.

Bei ANKA werden die Proben mit hochenergetischem Synchrotronlicht bestrahlt, das durch die Probe tritt und anschließend eine Szintillationsschicht dazu anregt, sichtbares Licht abzugeben. Dieses Licht erzeugt auf dem eingebauten CCD-Flächendetektor ein Bild, welches die Informationen aus der ursprünglichen Röntgenstrahlung enthält. In Kombination mit einem optischen Mikroskop mit zehnfacher Vergrößerung erreichten die Wissenschaftler so eine Pixelgröße von nur 0,9 Mikrometern. Außerdem machten sie 1800 Messungen innerhalb eines Winkels von 180 Grad, indem sie die Probe jeweils minimal weiterdrehten. Mithilfe dieser verschiedenen Durchleuchtungsrichtungen werden schließlich die dreidimensionalen Bilder des Objektes rekonstruiert.

3D-Aufnahme des Käfergelenks, es besteht aus einer schraubenförmig-gedrehten Spitze, die durch ein Loch in der Gelenkpfanne ragt.
Schraubengelenk

Die Aufnahmen des Rüsselkäfers offenbarten die überraschende Struktur seines Hüftgelenks, bei dem die einzelnen Teile wie Schraube und Mutter ineinander greifen. Eine solche Konstruktion ist sehr ungewöhnlich, da sich Teile des Skeletts großflächig gegeneinander bewegen und das Bein nur über eine kleine Öffnung im Zentrum der Schraube versorgt wird. In der Natur findet man sonst vor allem Kugel- und Scharniergelenke, die für die Organismen wesentlich leichter umsetzbar sind. Das Prinzip des Schraubengewindes galt bisher als Erfindung des Menschen. „Nun zeigt sich aber, dass uns die Natur auch bei der Erfindung von Schraube und Mutter zuvor gekommen ist, denn Rüsselkäfer laufen wahrscheinlich bereits seit etwa 100 Millionen Jahren mit einer derartigen Konstruktion herum“, sagt Alexander Riedel vom Staatlichen Museum für Naturkunde Karlsruhe, aus dessen Sammlung die untersuchten Exemplare der Rüsselkäfer stammen.

Das Gelenk hat für den Käfer aber auch einen entscheidenden Vorteil, denn er kann mit seinen Beinen weiter nach unten greifen als andereKäfer mit Kugelgelenk. Diese Fähigkeit hilft ihm beim Klettern in seinem Lebensraum, den Urwäldern von Papua-Neuguinea.