Forscher der University of Bristol und der Diamond Light Source haben herausgefunden, wie Motten einen leistungsstarken Tarnmantel schaffen, der die Erkennung durch Biosonar verhindert. Diese Arbeit (Bio-Inspired Urban Adaptations: What Insects Can Teach Us About Dealing with Noise) wurde von Professor Marc Holderied, Professor für Sinnesbiologie, einem Sinnesökologen und Bioakustiker, geleitet.
Er widmet sich seit über 20 Jahren der Erforschung von Fledermäusen und ihrer außergewöhnlichen Fähigkeit, mithilfe der Echoortung zu navigieren und Beute zu fangen. Er zog Lehren aus einem Anti-Echo-Ortungs-Tarnumhang, den er in der Insektenwelt entdeckt hatte, und begab sich nun auf die Mission, bioinspirierte Schallabsorber zu entwickeln, um dazu beizutragen, die Welt ruhiger und gesünder zu machen.
Durch die Nutzung der genialen Eigenschaften von Mottenflügeln kann ein Schallabsorber geschaffen werden, der eine hohe Absorption bei minimalem Platzbedarf bietet. Das Ziel besteht darin, die Lebensbedingungen zu verbessern, da solche von Motten inspirierten Schallabsorber 90 % dünner und leichter als bestehende Lösungen sein können, wodurch exotische Materialien wie schallabsorbierende Tapeten in den Zugriff kommen.
Professor Holderied erklärt: „Die Entwicklung der Echoortung von Fledermäusen und die Art und Weise, wie andere Organismen darauf reagieren, stand im Mittelpunkt meiner Arbeit. Ich und mein Team untersuchen, wie Organismen Echos entwickelt haben, die ihren Bedürfnissen entsprechen. So wie die meisten Blumen Farben verwenden, um ihre Insekten anzulocken.“ und Vogelbestäuber haben wir herausgefunden, dass von Fledermäusen bestäubte Blüten in ihren floralen Echos das akustische Äquivalent von Farbe ausstrahlen. Derzeit untersuchen wir, wie nachtaktive Insekten ohne Ohren sich auf akustische Tarnung gegen Fledermäuse verlassen können, was das komplizierte akustische Wettrüsten zwischen Raubtieren demonstriert und Beute.“
3D-Animation eines Mottenflügels. Bildnachweis: Universität Bristol
Eine faszinierende Entdeckung aus der Forschung von Prof. Holderied dreht sich um die bemerkenswerte Anpassung von Motten, insbesondere von Seidenmotten. Diesen nachtfliegenden Insekten fehlen typische Abwehrmechanismen wie ultraschallempfindliche Ohren, stattdessen verlassen sie sich ausschließlich auf die akustische Tarnung durch ihren pelzigen Körper und die dünne Schicht überlappender Schuppen auf ihren Flügeln.
Durch das Entfernen des Fells oder der Schuppen werden ihre Echos lauter. Das bedeutet, dass Fell und Schuppen die von Fledermäusen erzeugten Geräusche absorbieren und so eine leistungsstarke Tarnkappe gegen die Entdeckung durch Biosonar und eine faszinierende akustische Verteidigung bilden.
„Darüber hinaus“, sagt Prof. Holderied, „entdeckten wir, dass die dünne Schicht überlappender Schuppen auf ihren Flügeln auch als akustisches Metamaterial fungiert – das einzige bekannte, das in der Natur vorkommt – mit außergewöhnlichen schalldämpfenden Eigenschaften. Diese Entdeckung birgt ein enormes Potenzial für die Replikation.“ diesen außergewöhnlichen natürlichen Schallabsorber für Lärmschutzanwendungen, von dem wir alle profitieren können.“
Angesichts der erheblichen Auswirkungen von Lärm auf die menschliche Gesundheit, insbesondere in städtischen Umgebungen, zielt das Enterprise Fellowship-Projekt von Professor Holderied darauf ab, eine kommerzielle Lösung für eine bioinspirierte Lärmbekämpfung zu entwickeln. Stadtlärm stellt das zweitgrößte umweltbedingte Gesundheitsrisiko dar, das erhebliche negative Auswirkungen auf die Gesundheit hat und erhebliche Kosten verursacht.
Die Bildgebung von Mottenflügeln an der Diamond Light Source, dem nationalen Synchrotron des Vereinigten Königreichs, spielte eine entscheidende Rolle bei der Aufdeckung der Mikro- und Nanostruktur dieses natürlichen akustischen Metamaterials, das seine entstehenden akustischen Eigenschaften hervorbringt.
Prof. Christoph Rau, Principal Beamline Scientist bei Diamond, fügt hinzu: „Wir haben kürzlich die ptychografische Bildgebung vorangetrieben, um zu zeigen, wie Nanoporosität die akustische Leistung von Mottenflügeln weiter steigert. Die dreidimensionale Untersuchung von Motten auf verschiedenen Detailebenen spielt eine entscheidende Rolle.“ Sie vermitteln ein Verständnis für den Zusammenhang zwischen Struktur und ihren akustischen Eigenschaften. Die schallabsorbierenden Eigenschaften von Brustmottenschuppen sind in der Lage, etwa zwei Drittel der von ihrem Raubtier, der Fledermaus, abgegebenen Schallenergie zu absorbieren und erhöhen die Überlebensfähigkeit des Insekts erheblich.“
Für diese Studie wurde die Niederlassung I13-2 Diamond-Manchester genutzt, wo mit Inline-Phasenkontrasttomographie die kleinsten Details der Strukturen untersucht wurden und Schlüsseldaten für die akustischen Simulationen lieferten. Diese Arbeit wird derzeit ausgeweitet, um die akustisch-strukturellen Eigenschaften der Flügel zu untersuchen.
Die Architektur der Flügel ist extrem fein, daher ist eine Auflösung im Nanolängenmaßstab erforderlich, die das Flügeldesign mit der Schallabsorptionsfähigkeit verknüpft. Der zweite Zweig an der Strahllinie I13, der Kohärenzzweig I13-1, bietet Bildgebungsfähigkeiten mit höchster räumlicher Auflösung. Mit einer Methode namens Ptychographie wird das Muster der gestreuten Röntgenlichtwellen rekonstruiert und ist nicht durch die Auflösung von Detektoren oder Röntgenoptiken eingeschränkt.
Dies bietet eine beispiellose hochauflösende Bildgebungsfähigkeit, die für die Simulation der akustischen Simulationen im Folgenden erforderlich ist. Der leitende Support-Wissenschaftler Kudakwashe Jakata, der kürzlich dem I13-Team beigetreten ist und die Datenerfassung und -analyse durchgeführt hat, erklärt: „Die hochauflösenden Daten sind hinsichtlich ihrer Qualität wirklich beeindruckend.“
Insgesamt bieten die Multiskalenfähigkeiten der I13 Beamline for Imaging and Coherence einen ganzheitlichen Ansatz zur Identifizierung und zum Verständnis der verschiedenen schallabsorbierenden Strukturen, die Motten vor ihren Feinden schützen.
Über den Lärmschutz hinaus betont Professor Holderied die entscheidende Rolle der Artenvielfalt und die Notwendigkeit, jeden Organismus zu schützen, der unseren Lebensraum teilt. Insekten, darunter auch Motten, sind ein integraler Bestandteil von Ökosystemen, tragen zur Stabilität bei und bringen raffinierte Anpassungen mit sich. Der Verlust der Artenvielfalt verringert unsere Chancen, die bemerkenswerten Erfindungen der Natur zu entdecken und daraus zu lernen. Indem wir das Bewusstsein und die Wertschätzung für die Vielfalt des Lebens fördern, können wir ein harmonisches Zusammenleben mit der Natur gewährleisten.
Prof. Holderieds Arbeit an bioinspirierten Schallabsorbern zeigt das immense Potenzial der Anpassungen der Natur bei der Lösung komplexer gesundheitlicher Herausforderungen. Er glaubt, dass wir durch die Annahme der Lehren der Natur eine Fülle von Lösungen für eine nachhaltigere und harmonischere Welt erschließen können.