Wie Spinnen den Luftraum überwachen

Die sitzen in ihrem Kammerl und rasieren die Beine von Spinnen“, murmelt mancher Besucher kopfschüttelnd, wenn er in den Gängen der Uni Wien am Department für Neurobiologie und Kognition vorbeigeht. Dass im Labor von Friedrich G. Barth einzelne Haare der südamerikanischen Jagdspinne Cupiennius salei haargenau untersucht werden, mag der motivierte Biologiestudent dagegenhalten – und von den enormen Sinnesleistungen schwärmen, die diese zehn Zentimeter großen Spinnen mit Hilfe ihrer Tasthaare und Haare für Chemo- und Strömungsdetektion zustande bringen. Und um Nervensignale und die technischen Raffinessen eines einzelnen Haars zu untersuchen, muss man eben den Wald der zigtausend Härchen am Spinnenbein lichten, bis das eine erforschte Haar freisteht.

Das jüngste Projekt der Spinnenforscher dreht sich um ganze Gruppen von Härchen, die sogenannten Trichobothrien. Sie sind die Strömungsdetektoren der Spinne. Oder wie Projektmitarbeiter Clemens Schaber es ausdrückt: „Sie dienen der Luftraumüberwachung.“ Denn sobald sich die Luft um die Spinne herum bewegt, bewegen sich die hauchdünnen Härchen mit und melden dem Nervensystem, wenn sich etwas Wichtiges tut. Für eine Spinne ist etwa Futter wichtig – aber Feinde sind es ebenso. „Das Spannende ist, dass die Spinne den Unterschied zwischen Futter und Feind eindeutig erkennt. Und beides vom Hintergrundrauschen unterscheiden kann“, erklärt Barth.

Und zwar nicht so sehr durch Entscheidungen des Hirns, sondern primär durch die Filtereigenschaften der Sensoren an der Peripherie. Die Trichobothrien also. Sie sind so gebaut, dass die kleine Bugwelle an Luft, die eine Fliege vor sich herschiebt, als Signal erkannt wird – woraufhin sich die Spinne der Fliege zuwendet und im richtigen Moment losspringt. Nämlich dann, wenn sie von den turbulenten Strömungen hinter der Fliege getroffen wird. Solche und ähnliche Details der hochsensiblen Spinnensensoren publiziert Barths Gruppe seit mehreren Jahrzehnten.

Unterwassergefährt. Dies dürfte auch dem amerikanischen Verteidigungsministerium nicht entgangen sein: Vor vier Jahren wurde das Wiener Labor von der Forschungsagentur des Defense Departments (DARPA) eingeladen, sich an einem internationalen Projekt zu beteiligen. Ein autonomes Unterwassergefährt sollte entwickelt werden. „Das Gefährt soll in der Lage sein, den Strömungen, die etwa hinter einem Boot oder einem Schwimmer entstehen, zu folgen“, erzählt Barth. Und da stellen sich für Techniker dieselben Fragen wie für Biologen bei der Erforschung des Spinnenverhaltens. Etwa: „Wie erkennt man sein Signal?“

„Das Verhältnis des Signals zum Hintergrundrauschen ist ein enormes Problem“, weiß Barth. Bei der Spinne haben Millionen Jahre Evolution die Sensoren so getrimmt, dass die beiden stets unterschieden werden können. Technische Nachbildungen funktionieren bezüglich solcher Feinheiten noch wesentlich schlechter.

„Wenn das Signal erkannt ist, muss der Empfänger es lokalisieren“, führt Barth aus. Und so wie eine Spinne erkennen muss, wo die Fliege als Quelle der Strömung ist, muss auch ein Unterwassergefährt den Verursacher der Strömung finden. „Weiters stellt sich die Frage: ,Wie bewege ich mich dorthin?‘“, sagt Barth. All diese Fragen hat die Spinne bereits gelöst, und man versucht nun, diese Prinzipien als Vorbild für die Technik zu nutzen. „Bio-inspirierte Sensoren“ nennt sich dieses hoch aktuelle Forschungsgebiet. „Direktes Nachbauen bringt nichts. Aber die biologischen Prinzipien zu verwenden kann gut klappen“, meint Barth.

Dass die Spinne an der Luft lebt, das amerikanische Hightech-Gefährt aber im Wasser schwimmen soll, stört die Forscher nicht. „Die Prinzipien bleiben die gleichen. Man muss nur einige physikalische Konstanten ändern.“ Das dürfte beim Team im Labor für Neurobiologie kein Problem sein. Denn außer den Biologen Clemens Schaber und Rainer Müllan ist auch der Ingenieur Christian Klopsch im DARPA-Projekt „BioSenSe“ beschäftigt.

Und die Messergebnisse vom Tiermodell fließen direkt in physikalisch-mathematische Computermodelle ein. „Ohne den Input von Physikern und Ingenieuren hätten wir nicht wirklich verstanden, wie perfekt die Sensoren an Gesetze der Strömungsmechanik angepasst sind“, mutmaßt Barth. Etwa die Anordnung der Mikrometer feinen Trichobothrien in Gruppen aus unterschiedlich langen Härchen (zwischen 0,1 und 1,4 Millimeter). „Die Länge des Haars zu variieren ist die energiesparendste Methode, um Frequenzempfindlichkeiten anzupassen“, sagt Barth. Die Zoologen haben es an den Spinnenbeinen entdeckt; die Strömungsmechaniker erklärten, dass dies von den Grenzschichten abhängt, die je nach Frequenz unterschiedlich dick sind; und die Ingenieure können nun das Wissen für technische Anwendungen verwerten. „Darum plädiere ich immer für die Zusammenarbeit mit anderen Fächern“, schwärmt Barth.

Augen und Härchen. In seinem Labor sitzen Ingenieure und Biologen jedenfalls gemeinsam im Experimentierkammerl und testen die Sensorik der Spinne. Etwa beim Versuch, ob die Strömungssensoren allein für die perfekte Orientierung ausreichen. „Wenn man die Augen der Spinne mit einem Kohle-Wachs-Gemisch verschließt, fängt sie die Fliege trotzdem. Rasiert man die Trichobothrien weg, merkt sie nicht einmal, dass eine Beute in der Nähe ist“, bringt Schaber es auf den Punkt. Lustigerweise hüpft die Spinne mit offenen Augen und intakten Strömungssensoren auch nicht immer zur Fliege. Vielleicht weil sie dann erkennt, dass sie im Zentrum eines Versuchsaufbaus steht und die zappelnde Fliege in der Apparatur nicht verspeist werden kann? Wer weiß.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 29.03.2009)