Wasserläufer leben an der Wasseroberfläche und haben eine Beinlänge von mehreren bis über 100 Millimetern. Es ist bekannt, dass sie ihre langen wasserabweisenden Beine nutzen und ihren Körper auf der Oberfläche abstützen, ohne diese zu beschädigen. Unter jedem Bein krümmt sich die Wasseroberfläche nach unten und bildet ein Grübchen (Meniskus). Schwerere Wasserläufer erzeugen tiefere Grübchen, die von der nach unten gedehnten Wasseroberfläche, die den Insektenkörper stützt, eine stärkere Aufwärtskraft erzeugen.
Wenn Wasserläufer vor Raubtieren fliehen, die unter Wasser angreifen, springen sie nach oben. Ihr Sprung kann innerhalb von Sekundenbruchteilen (10–20 Millisekunden) eine Geschwindigkeit von über 1 m/s erreichen, ohne die Wasseroberfläche zu durchbrechen, und es wurden Roboter hergestellt, die dieses Verhalten nachahmen.
Um diese Sprünge zu machen, bewegen Wasserläufer ihre Beine schnell nach unten gegen die Wasseroberfläche, aber nicht zu schnell, damit die Wasseroberfläche ununterbrochen bleibt. In diesem Fall funktioniert jede Vertiefung wie ein Minitrampolin: Je tiefer sie gedrückt wird, desto stärker ist die nach oben gerichtete Kraft, die den schnellen Sprung ermöglicht.
Bis vor Kurzem glaubte man, dass alle Wasserläufer auf diese Weise springen. Allerdings wurden nur einige kleine Arten untersucht, die nur 10 % der gesamten Körpergröße von Wasserläufern (10–60 mg) ausmachen, da sie für Forscher leicht zugänglich sind.
Jüngste Forschungsexpeditionen zur Untersuchung der größten Wasserläufer der Welt in den subtropischen Wäldern Vietnams und anschließende mathematische Modellierung haben einen neuen Sprungmechanismus entdeckt, der vom Riesenwasserläufer (Gigantometra gigas) und einigen anderen großen Wasserläufern mit einer Körpergröße von mehr als etwa 80 mg verwendet wird.
Gigantometra gigas springt im natürlichen Lebensraum und im Wasserbehälter und in der Luftpolsterhülle um das Bein. Filmzeitleiste: 1–3 Sek. – normale Geschwindigkeit (1x); 4-10 s. – 8x verlangsamt; Der Clip zeigt zwei Beispiele für Aufwärtssprünge des Riesenwasserläufers und die Landung auf der Wasseroberfläche (C0143). Der Wasserläufer verlässt das Sichtfeld im Video, das aus größerer Entfernung gedreht wurde (C0153). Filmzeitleiste: 11–12 Sek. – normale Geschwindigkeit (1x); 13–16 Sek. – 10-fach verlangsamt; Der Clip zeigt zwei Beispiele für zwei unterschiedliche Aufwärtssprünge des Riesenwasserläufers im Wasserbehälter in der Vorder- (EVT16) und Seitenansicht (EVT19). Filmzeitleiste: 17–22 Sek. – 20-fach verlangsamt; Der Clip zeigt zwei Beispiele rund um das Bein eines springenden Wasserläufers (EVT22 (2)) und das tote Bein, das in die Wasseroberfläche schlägt (C0143 totes Bein). Kredit: Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2219972120
Die kürzlich veröffentlichte Forschung wurde von einem Team aus Biologen und Ingenieuren der Seoul National University (Korea), des Museums und Instituts für Zoologie der Polnischen Akademie der Wissenschaften (Polen), des Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (Korea), der Vietnam Academy of Science and Technology (Vietnam), der Vietnam National University (Vietnam) und der École Polytechnique (Frankreich) durchgeführt.
Die Studie hat einen neuen Sprungmechanismus der riesigen Wasserläufer aufgedeckt, die zehnmal schwerer sind als die am häufigsten untersuchten. Feldforschungen zu dieser Art wurden im Pu-Mat-Nationalpark in Vietnam mit Hilfe der Verwaltung des Pu-Mat-Nationalparks im Rahmen von zwei Feldexpeditionen durchgeführt. Die Forscher drehten Hochgeschwindigkeitsvideos von den Sprüngen der riesigen Wasserläufer in ihren natürlichen Lebensräumen und in transparenten Wasserbehältern in der Nähe des Baches, in dem die Wasserläufer leben.
Das Team beobachtete einen entscheidenden Unterschied im Sprungverhalten zwischen diesen riesigen Wasserläufern und den typischen kleineren Arten, die bereits untersucht wurden. Im Gegensatz zu kleineren Wasserläufern durchbrechen die Riesenwasserläufer tatsächlich die Wasseroberfläche, wenn ihre Beine bei einem Sprung nach unten drücken. Nachdem ihre Beine die Wasseroberfläche durchdrungen haben, bewegen sie sich schnell nach unten, umgeben von einer Luftschicht, die in und um die langen Haare an den Beinen dieser Art eingeschlossen ist.
Wenn sich ein von Luft umgebenes Bein durch das Wasser bewegt, erfährt es eine Widerstandskraft, den sogenannten Luftwiderstand, die seiner Bewegung entgegenwirkt. Dies ähnelt der Art und Weise, wie ein Ruder verwendet wird, um ein Boot auf dem Wasser anzutreiben. Diese Kraft drückt die riesigen Wasserläufer in der zweiten Phase eines Sprungs nach oben. Innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde (etwa 40 Millisekunden) erreichen die riesigen Wasserläufer eine Körpergeschwindigkeit von etwa 1 m/s oder mehr. Obwohl sie über einen neuartigen Sprungmechanismus verfügen, ist diese Geschwindigkeit mit der der zuvor untersuchten kleineren Arten vergleichbar.
Anschließend entwickelte das Team ein mathematisches Modell für das Springen von Wasserläufern, um den Grund für dieses einzigartige Sprungverhalten der riesigen Wasserläufer aufzudecken. Die Forscher fanden heraus, dass diese größten Wasserläufer der Welt so schwer sind, dass derselbe Mechanismus, die Wasseroberfläche nicht zu durchbrechen, einfach nicht funktionieren würde; Dies würde zu einem langsameren Sprung führen, der sie anfällig für Raubtiere wie Fische machen würde.
Indem sie ihre Beine jedoch schnell genug bewegen, um die Wasseroberfläche zu durchbrechen und einen Widerstand im Wasser zu erzeugen, können die Insekten schnell genug springen, um räuberischen Angriffen zu entgehen. Das Modell sagt voraus, dass Wasserläufer, die schwerer als etwa 80 mg sind, diese Sprungmethode nutzen sollten, um die Geschwindigkeit zu erreichen, die sie vor Fischangriffen schützen kann. Dies verdeutlicht die wichtige Rolle der natürlichen Selektion bei der Entwicklung des neuen Sprungmechanismus bei großen Wasserläufern.
Diese Entdeckung zeigt, dass Wasserläufer je nach Körpergröße unterschiedliche Sprungmechanismen einsetzen. „Wir haben einen neuartigen Sprungmechanismus enthüllt, der von riesigen Wasserläufern verwendet wird. Diese Entdeckung zeigt, dass nahe verwandte Arten abhängig von ihrer Größe unterschiedliche physikalische Mechanismen nutzen können, obwohl sie dasselbe Verhalten (Springen) für die gleiche Funktion (Flucht vor Raubtieren) ausführen“, kommentiert das Forschungsteam.
„Diese Entdeckung ist sowohl aus technischer als auch aus evolutionärer Sicht interessant, da sie Inspiration für wasserlaufende Roboter liefert und eine solide theoretische Grundlage für zukünftige vergleichende Analysen mehrerer Arten von Wasserläufern schafft, um die Koevolution zwischen Körpergröße und Sprungmechanismus bei Wasserläufern zu verstehen“ – ein Projekt, das das Forschungsteam derzeit durchführt.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Mehr Informationen:
Woojoo Kim et al, Zwei verschiedene Sprungmechanismen von Wasserläufern werden durch die Körpergröße bestimmt, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2219972120
Bereitgestellt vom Labor für Verhaltensökologie und Evolution an der Seoul National University