Messung der Stichkraft von Insekten

Wie stark können Insekten zubeißen? Ein starker Kauapparat macht es einfacher, härtere Nahrung zu zerkleinern und in Kämpfen mit Feinden erfolgreich zu sein. Biologen der Universität Bonn stellen jetzt ein mobiles System (forceX) zur Messung der Beißkräfte von Kleintieren sowie die Software forceR zur Auswertung der Daten vor. So lässt sich nachvollziehen, wie sich Bisskräfte, beispielsweise von Insekten, entwickelt haben. Die endgültige Version ist jetzt in der Zeitschrift veröffentlicht Methoden in Ökologie und Evolution.

Die Gottesanbeterin zappelt ein wenig in der Hand des Wissenschaftlers. Nähert sich das Insekt dem Sensor, verteidigt es sich, indem es auf die beiden Metallplättchen beißt, die den Druck auf einen Piezokristall übertragen. Der Quarz erzeugt eine lastabhängige Spannung, die über einen Verstärker an einen Laptop übertragen wird. Auf dem Bildschirm erscheinen Kurven, die teilweise steil ansteigen und zitternd ein Plateau erreichen, bevor sie wieder auf Null abfallen. Manchmal sind Auf- und Abstieg flacher – je nachdem, wie schnell sich das jeweilige Insekt beim Zubeißen der maximalen Kraft nähert.

Kaum Daten zur Bisskraft

„Es gibt kaum Daten darüber, wie stark Insekten zubeißen können“, sagt Peter T. Rühr, Doktorand am Institut für Evolutionsbiologie und Ökologie der Universität Bonn. Mit ihrem Sensorsystem forceX wollen die Forscher untersuchen, wie sich die Mandibeln, die Muskulatur und die Kopfform von Insekten entwickelt haben, um den Herausforderungen ihrer jeweiligen Umgebung gerecht zu werden. „Es muss nicht immer von Vorteil sein, stark zubeißen zu können, denn die Aufrechterhaltung der Fähigkeit, stark zuzubeißen, erfordert höhere Energiekosten“, sagt Rühr. Die Bisskraft kann zum Beispiel davon abhängen, von welcher Nahrung sich ein Insekt ernährt oder ob es die Mandibeln zur Verteidigung braucht.

Das Team um Prof. Dr. Alexander Blanke, der sich einen Starting Grant des European Research Council (ERC) gesichert hat, entwickelte bestehende Systeme zur Messung der Bisskräfte weiter.

Im Messaufbau der Forscher der Universität Bonn wird mit einem Stereomikroskop, ähnlich einer starken Lupe, detektiert, ob die Mandibeln des untersuchten Insekts an der richtigen Stelle Kontakt mit den Metallplatten des Sensors haben. Die untere Platte ist unbeweglich, während die obere die Kraft über eine Wippe auf den Sensor überträgt.

Flexible Anpassung an Unterkiefergröße möglich

„Je nach Größe und Öffnungswinkel der Unterkiefer verwenden wir unterschiedlich große, auswechselbare Aufbissplatten“, erklärt Rühr die Weiterentwicklung. „Dadurch lässt sich der Sensor über einen relativ weiten Bereich an die jeweiligen Bedürfnisse der Tiere anpassen.“ Das komplette System ist batteriebetrieben und somit für mobile Messungen – auch in freier Wildbahn – einsetzbar.

Für stechende Insekten verwenden die Forscher eine Halterung aus Kunststoff. Die Tiere verschwinden vollständig in der Phiole, wobei nur der Kopf mit seinen Mundwerkzeugen aus einem kleinen Loch vorne herausragt. Rühr: „So können wir die Insekten besser positionieren, ohne sie in die Hand nehmen zu müssen.“

Meist brauchen die Tiere nicht viel Überredung, bevor sie zubeißen. Sie fühlen sich in der ungewohnten Umgebung unwohl und wehren sich mit Abwehrbissen. Bleibt dieses instinktive Verhalten aus, streichen die Forscher mit einem feinen Pinsel über die Insektenköpfe – spätestens dann schließen die Insekten ihre Kiefer.

Hohe Genauigkeit der Messung

Zur Veröffentlichung im Methoden in Ökologie und Evolutionermittelten die Forscher die Genauigkeit des Systems: Dazu brachten sie verschiedene Gewichte von einem Gramm bis fast einem Kilogramm auf der beweglichen Metallplatte an. Insgesamt 1.600 Wiederholungen zeigen, dass die Abweichung zwischen den Messungen maximal 2,2 Prozent beträgt. „Das ist sehr genau“, sagt Rühr. Das System kann auch verwendet werden, um beispielsweise die Kraft von Skorpionen oder Krabbenklauen zu messen.

Rühr und Blanke bauten die Anlage während ihrer Zeit an der Universität zu Köln, teilweise mit der örtlichen Feinmechanik-Werkstatt. An der Universität Bonn haben sie es weiter optimiert und die Genauigkeitsmessungen durchgeführt. Das Manuskript beschreibt auch die neue Software „forceR“, mit der Bisskraftwerte und Formen der Bisskurven ausgewertet und verglichen werden können. Die Forscher wollen das Bisskraftsensorsystem nicht auf den Markt bringen. „Vielmehr sind die Ergebnisse in Methoden in Ökologie und Evolution bilden die Basis für Replikate“, sagt Rühr. Wesentliche Teile des Sensors lassen sich sogar per 3D-Drucker nachbauen.

Zur Verfügung gestellt von der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn