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Bionik: Von Fliegen lernen

Fruchtfliegen - Quelle: Pixabay
Fruchtfliegen - Quelle: Pixabay

Für die meisten sind sie nur lästig – Fliegen. Der bionischen Forschung bringen sie jedoch wichtige Erkenntnisse ein. Fliegen sind ein beliebtes Forschungsobjekt von Biologen und Genetikern. Denn sie lassen sich leicht halten, züchten und vermehren sich rasch. Zu den Standard-Untersuchungsobjekten in der genetischen Forschung zählt die Fruchtfliege Drosophila melanogaster. Drosophila wird zwei bis drei Millimeter lang, ist gelbbraun und hat rote Augen. Weltweit sind mehr als 3000 Fruchtfliegenarten bekannt. Davon leben etwa 50 Arten in Deutschland. Umgangssprachlich bezeichnet man die kleinen Fliegen gerne als „Obstfliegen“, da sie von faulenden Früchten und Getränkeresten in offenen Gläsern und Falschen angezogen werden. Die Weibchen der Taufliegen legen bis zu 400 Eier in gärende Pflanzenstoffe oder andere Substrate ab, die als spätere Nahrung für die Larven dienen. Die Larven durchlaufen drei Madenstadien. Der Zeitraum vom Ei bis zur fertig entwickelten Fliege liegt bei etwa 14 Tagen. Manchmal spricht man auch von „Taufliegen“, da sie meistens morgens und abends – also zu Zeiten, in denen sich häufig Tau niederschlägt – umherfliegen.

Computernetzwerke sollen das Nervenzell-Wachstum der Fruchtfliege imitieren
Drosophila nutzt winzige Borsten zur Sinneswahrnehmung. Dabei besteht jede dieser Borsten auf der Haut der Fliege aus einer Sinnesorgan-Vorläuferzelle, die von zahlreichen Nervenzellen umgeben ist. Eine Vorläuferzelle ist niemals direkt mit anderen Vorläuferzellen verbunden. Doch wie können die wachsenden Nervenzellen in der Entwicklungsphase der Fliege wissen, ob sie zu einer einfachen Nervenzelle oder zu einer Vorläuferzelle werden sollen? Hier hat die Natur sich einen Trick einfallen lassen: Sobald eine Nervenzelle sich zu einer Vorläuferzelle entwickelt hat, sendet sie ein Signal an ihre Umgebung und unterdrückt damit die Bildung weiterer Vorläuferzellen in ihrer direkten Nachbarschaft. Das Ergebnis dieses Entwicklungsvorgangs ist, dass letztlich jede Nervenzelle entweder selbst eine Vorläuferzelle oder mit einer solchen verbunden ist – ein ideales und effektives Netzwerk ist entstanden.

Beim Aufbau eines Computer-Netzwerks besteht die Notwendigkeit, dass eine möglichst kleine Anzahl an Rechenknoten eine schnelle Kommunikation mit dem gesamten Netzwerk gewährleistet. Zwei der Rechenknoten dürfen niemals direkt miteinander verbunden sein – ebenso wie die Vorläuferzellen bei der Fruchtfliege. Bisher bestand in der Computertechnik das Problem, dass die einzelnen Rechenknoten schon vorab wissen müssen, wie sie im Netzwerk verbunden sein werden. Mit dem „Taufliegen-Algorithmus“ ist somit die Grundlage für eine neue Denk- und Arbeitsweise in der Organisation von Computernetzwerken nach dem Vorbild der biologischen Selbstorganisation geschaffen worden. Doch Ziv Bar-Joseph von der Carnegie Melon University in Pittsburgh gibt zu bedenken, dass das biologische Vorbild effizienter und robuster sei, da es auf weniger Bedingungen aufbaut. Trotzdem ist er überzeugt, dass das Modell Anwendung findet. Beispielsweise bei der Entwicklung von Sensornetzwerken zur Umweltüberwachung oder Roboterschwärmen.

Flugsimulator für Schmeißfliegen
Fliegen sind auch wahre Orientierungs- und Flugkünstler. Die lästigen Schweißfliegen sind äußerst flink. Sie sind in der Lage plötzliche Richtungsänderungen zu vollziehen, in der Luft an einen Ort zu verweilen und punktgenau Landemanöver auszuführen. Um dem Fluggeheimnissen der Fliegen auf die Spur zu kommen haben Wissenschaftler einen Flugsimulator für Fliegen gebaut, um damit das Fliegengehirn zu erforschen. Dazu wird eine Fliege, die im Zentrum eines halbrunden Bildschirms sitzt unterschiedliche Muster, Bewegungen und Sinnesreize vorgespielt. Elektroden registrieren die Reaktionen der Nervenzellen im Fliegengehirn. Erste Ergebnisse zeigen, dass große Unterschiede in der Verarbeitung von Bildern zwischen Insekten und Wirbeltieren existieren. Die Erkenntnisse sollen für Roboter genutzt werden, die eigenständig ihre Umgebung wahrnehmen und sich darin angepasst fortbewegen können.

Quellen:

 

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