Zahnradstruktur gibt Zikaden mehr Sprungkraft

Oft inspiriert die Natur die Technik, doch auch in der Natur kommen Strukturen vor, die eigentlich aus technischen Bereichen bekannt sind: Bei jungen Zikaden haben Forscher Strukturen an den Hinterbeinen gefunden, die ganz ähnlich wie zwei mechanische Zahnräder ineinander greifen. Diese Verzahnung führt dazu, dass sich beide Beine beinahe komplett synchron miteinander bewegen, berichten die Forscher im Fachblatt „Science“. Durch diese Präzision wird die Sprungkraft maximiert, was entscheidend für die Sprünge der Insekten ist.

Mikroskopaufnahme in schwarz-weiß, auf der runde Strukturen zu sehen sind, die am Rand ineinander greifende Zähnen besitzen.
Zahnradstruktur

„Diese präzise Synchronisation wäre unmöglich über das Nervensystem zu erreichen, weil Nervenimpulse viel zu lange bräuchten, um die notwendige, außergewöhnlich enge Koordination zu erreichen“, erläutert Malcolm Burrows von der University of Cambridge in Großbritannien. Wenn ein Bein zum Sprung ansetzt, verzahnen sich die Zahnräder der beiden Hinterbeine miteinander und es kommt zur Gleichschaltung. „Das Skelett wird dazu genutzt“, so Burrows, „ein komplexes Problem zu lösen, das Hirn und Nervensystem nicht lösen können.“ Mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen hatten Burrows und sein Kollege Gregory Sutton den anatomischen Aufbau der Hinterbeine der Echten Käferzikade (Issus coleoptratus) analysiert, und zwar dort, wo diese nah am Körper beieinander liegen.

Bei noch nicht völlig ausgewachsenen Tieren fanden die Biologen am sogenannten Trochanter, oder auch Schenkelring, die Zahnradstrukturen, über die sich die beiden Hinterbeine miteinander verbinden und so synchronisieren lassen. Im Sprung trennen dann lediglich Bruchteile von Sekunden die Bewegung beider Beine voneinander, konnten die Biologen feststellen: 30 Mikrosekunden Verzögerung liegen dank der Zahnradverschaltung dazwischen. Die Zahnräder haben dabei eine erstaunliche Ähnlichkeit zu mechanischen Zahnrädern, wie man sie aus der Technik kennt – etwa am Fahrrad oder auch im Getriebe eines Autos. „Normalerweise denken wir bei Zahnrädern an etwas, das wir in von Menschen entwickelten Mechanismen finden“, sagt Sutton. „Wir haben herausgefunden, dass dies nur deshalb der Fall ist, weil wir nicht genau genug hingeschaut hatten.“

Die Zahnräder an den hinteren Extremitäten gibt es allerdings nur bei den Nymphenstadien, also den noch nicht ausgewachsenen Tieren. Mit der letzten Häutung verliert sich die Zahnradstruktur. Warum das so ist, wissen die Biologen noch nicht mit Sicherheit zu sagen. Sie halten es etwa für möglich, dass die Zahnradmechanik durchaus anfällig ist – wenn nur ein Zahn defekt ist, leidet der komplette Mechanismus. Bei einer Häutung lässt sich dies wieder reparieren, beim ausgewachsenen Tier dann aber nicht mehr und der Schaden wäre dann permanent. Außerdem ist denkbar, dass die erwachsenen Zikaden schlicht bereits aufgrund ihrer Größe genügend Sprungkraft erreichen und damit der Zahnradantrieb nicht länger nötig ist.