Kleine Flügel, großer Klang

Grillen und Laubheuschrecken benutzen ihre Flügel um verschiedenartige und oft beeindruckend laute Gesänge zu produzieren, die dem Anlocken weit entfernter Paarungspartner dienen. Diese Kommunikationssignale sind artspezifisch und höchst variabel in Rhythmus (der zeitlichen Abfolge der Signale) und Tonlage. Viele Arten produzieren außerdem genau wie Fledermäuse Signale im Ultraschallbereich, weit jenseits der menschlichen Hörgrenze. Die Gesänge werden üblicherweise durch das Aneinanderreiben der Vorderflügel (Stridulation) produziert, wobei eine verhärtete Kante des einen Flügels über eine mit Zähnchen besetzte Ader auf der Unterseite des gegenüberliegenden Flügels gestrichen wird. Die durch die Stridulationsbewegungen produzierten Flügelvibrationen werden durch spezifische Strukturen im Insektenflügel verstärkt, welche, ähnlich wie der Resonanzkörper einer Gitarre oder Geige, speziell auf die Gesangsfrequenzen abgestimmt sind. Die Flügel haben sich im Laufe der Evolution zu kompakten, leichten und besonders optimierten Resonatoren entwickelt, wodurch diese kleinen Insekten von der Natur mit ihren eigenen Miniaturlautsprechern ausgestattet worden sind. Betrachtet man Grillen und Laubheuschrecken bei ihrer Gesangsproduktion, stellt sich folgende, naheliegende Frage: Wie können diese Insekten mit ihren kleinen Flügeln solch laute Klänge produzieren? Insbesondere: Welche morphologischen Strukturen, biomechanischen Prozesse und Materialeigenschaften beeinflussen und definieren die akustischen Eigenschaften das Tuning der gesangsproduzierenden Flügel bei Grillen und Laubheuschrecken? Um diesen Fragen nachzugehen, um zu erforschen wie die Flügelstruktur den Gesang beeinflusst, sollen in diesem Projekt moderne bioakustische und biomechanische Methoden zur Anwendung kommen. Dazu gehören z.B. Laser für die Detektion kleinster Oberflächenvibrationen, künstliche Intelligenz für die automatische Detailanalyse von Flügelbewegungen und nanomechanische Untersuchungen zur Bestimmung von Materialeigenschaften. Wissen, das mittels dieser Methoden gewonnen wird, wird zur Erstellung dreidimensionaler und mathematischer Flügelmodelle verwendet, mit deren Hilfe der Stridulationsprozess und die Gesangserzeugung echter Flügel simuliert werden können. Künstliche Manipulation dieser Computermodelle und Analyse der daraus resultierenden Gesänge werden ebenfalls helfen, das mechanische und akustische Potential dieser Miniaturlautsprecher zu erforschen. Die Kombination biomechanischer und bioakustischer Studien an realen Flügeln mit Erkenntnissen der mechano-akustischen Eigenschaften computersimulierter Flügel kann WissenschafterInnen dabei helfen die akustische Evolution von Insekten zu entschlüsseln und besser zu verstehen. Gleichzeitig kann das so gewonnene Wissen aber auch von IngenieurInnen verwendet werden, um innovative, biomimetische Miniaturlautsprecher, für z.B. Hörgeräte, zu entwickeln.

Grillen und Heuschrecken nutzen ihre Flügel, um eine beeindruckende Vielfalt an oft sehr lauten Werbegesängen zu erzeugen, mit denen sie weit entfernte Paarungspartner anlocken. Diese Gesänge sind von Art zu Art verschieden und variieren stark in Rhythmus und Frequenz (Tonhöhe). Viele Arten erzeugen - ähnlich wie Fledermäuse - auch Gesänge im Ultraschallbereich, die weit außerhalb des menschlichen Hörbereichs liegen. Generell produzieren diese Insekten ihre Gesänge, indem sie eine verhärtete Kante eines Vorderflügels über eine Reihe feiner Zähne auf der Unterseite des anderen Vorderflügels reiben (dies nennt man Stridulation). Die dabei entstehenden Schwingungen werden durch spezielle Flügelbereiche verstärkt, die - wie der Korpus einer Geige - darauf ausgelegt sind, bei bestimmten Frequenzen besonders gut zu schwingen (Resonanz). Diese Flügel haben sich im Laufe der Evolution zu kleinen, leichten und optimierten Resonatoren entwickelt und dienen den Insekten praktisch als natürliche mini-Lautsprecher. Wenn man diese Insekten beim Singen beobachtet, stellt man sich schnell die Frage: Wie können diese Tiere mit ihren kleinen Flügeln so vielfältige und laute Gesänge erzeugen? In unserem Projekt haben wir modernste bioakustische und biomechanische Methoden eingesetzt (darunter Laser zur Messung kleinster Oberflächenschwingungen, Hochgeschwindigkeitskameras, Mikro-Computertomographie und physikalische Computersimulationen), um die Flügel dieser Insekten zu untersuchen und herauszufinden, wie Flügelgeometrie und -morphologie die produzierten Gesänge beeinflussen. Dabei konnten wir zum Beispiel zeigen, wie eine afrikanische Grillenart (Pseudolebinthus gorochovi) laute, hochfrequente Gesänge im unteren Ultraschallbereich evolutionär entwickelt hat. Solche Gesänge sind für Grillen ungewöhnlich, da diese normalerweise in wesentlich tieferen Tonlagen kommunizieren. Pseudolebinthus musste für den Hochfrequenz-Gesang weder das Stridulationsverhalten ändern noch die Flügel stark umgestalten; die evolutionäre Verdickung einer einzelnen Flügelader reichte aus, um das Schwingungsverhalten der Flügel so zu verändern, dass bevorzugt die hochfrequenten Anteile des Gesangs abgestrahlt werden, die bei anderen Grillen sonst stark unterdrückt sind. Dieser Prozess wird als "harmonic hopping" bezeichnet. Wir fanden auch andere Grillenarten, die ähnliche Frequenzverschiebungen durch unterschiedliches Verhalten oder morphologische Veränderungen erreichen: ein Beispiel für konvergente Evolution in der Gesangproduktion. Die Erkenntnisse aus unseren Studien und die Fähigkeit, Flügelschwingungen mit Computermodellen zu simulieren, nutzten wir auch, um die lang verstummte akustische Welt eines Waldes im Mittleren Jura nachzubilden. Dafür analysierten wir außergewöhnlich gut erhaltene Flügel von neun fossilen Heuschreckenarten, die vor etwa 165 Millionen Jahren in der Inneren Mongolei lebten. Durch den Vergleich der Gesangsorgane und Flügelformen mit heutigen Arten konnten wir zeigen, dass diese Tiere bereits im Jura eine Vielfalt lauter Gesänge von tiefen Frequenzen bis hin zum Ultraschall erzeugten. Damit konnten wir erstmals nachweisen, dass Ultraschall-Kommunikation schon im Mittleren Jura in einer akustisch vielfältigen Welt entstand - über 100 Millionen Jahre bevor Fledermäuse Ultraschallkommunikation entwickelten.