Hannover Als die Tiere fliegen lernten

Auf etwa 4,6 Milliarden Jahre beziffern Wissenschaftler das Alter der Erde. Bis die ersten Lebewesen entstanden, die fliegen konnten, vergingen nach heutigem Kenntnisstand Milliarden Jahre.
12.08.2016, 00:00
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Als die Tiere fliegen lernten
Von Jürgen Wendler

Auf etwa 4,6 Milliarden Jahre beziffern Wissenschaftler das Alter der Erde. Bis die ersten Lebewesen entstanden, die fliegen konnten, vergingen nach heutigem Kenntnisstand Milliarden Jahre. Fachleute nehmen an, dass Insekten, die vor ungefähr 400 Millionen Jahren lebten, die ersten Tiere waren, die die Kunst des Fliegens beherrschten. Erst sehr viel später entwickelten sich die Vögel, von denen es heute auf der Erde mehr als 10 000 Arten gibt. Etwa 95 Prozent dieser Arten sind nach Erkenntnissen von Forschern nach dem Aussterben der Dinosaurier vor etwa 66 Millionen Jahren entstanden. Ein faszinierendes Forschungsthema sind Vögel nicht nur wegen ihrer Entwicklungsgeschichte. Immer wieder werden Studien mit verblüffenden Ergebnissen veröffentlicht, so etwa kürzlich eine Arbeit, die belegt, dass Vögel auch im Flug schlafen können.

Menschen scheinen den Flug der Vögel von jeher auch mit etwas Neid beobachtet zu haben, wie nicht zuletzt der aus dem Altertum stammende Mythos von Dädalus und Ikarus zeigt. Dädalus stellte demnach aus Vogelfedern Flügel her, die von Wachs zusammengehalten wurden. Sein Sohn Ikarus soll der Sonne mit solchen Flügeln so nahe gekommen sein, dass das Wachs schmolz und er ins Meer stürzte. Das Schicksal von Ikarus gilt als Sinnbild für die Gefahren des Übermuts. Um sich in die Luft erheben zu können, mussten sich Menschen einiges mehr einfallen lassen, als es Dädalus angeblich getan hatte. Für den nötigen Vortrieb sorgen bei Flugzeugen Propeller oder Düsentriebwerke. Während des Fluges wirken noch weitere Kräfte. So führt der Luftwiderstand dazu, dass die Maschine abgebremst wird, und die Schwerkraft zieht sie nach unten. Nach Angaben des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt liegt es am Auftrieb, dass sie dennoch in der Luft bleibt.

Damit ein Flugzeug abheben kann, muss der Auftrieb größer sein als die Schwerkraft. Erreicht wird dies durch den Vortrieb und die Tatsache, dass die Luft die Tragflächen auf eine bestimmte Weise umströmt. Beeinflussen lässt sich die Stärke des Auftriebs auch durch den Anstellwinkel, das heißt die Stellung der Flügel zur Luftströmung. Wer sich Flugzeugflügel genauer ansieht, stellt fest, dass sie auf der Oberseite anders aussehen als auf der Unterseite; sie sind auf der Oberseite deutlich gewölbt. Dadurch strömt die Luft dort wesentlich schneller an der Tragfläche vorbei als an der Unterseite. Die Folge ist ein Sog nach oben. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt drückt es so aus: Ein fliegendes Flugzeug liege nicht etwa auf der Luft unter ihm, sondern klebe an der Luft über ihm. Ohne das Medium Luft käme der Auftrieb nicht zustande. Im Vakuum würde das Flugzeug einfach nach unten fallen.

Knochen sind extrem leicht

Die Natur hat andere Wege gefunden, das Fliegen zu ermöglichen, als der technische Verstand des Menschen. Zu den Voraussetzungen, um möglichst gut fliegen zu können, gehören ein niedriges Gewicht, eine aerodynamische Form und viel Kraft. Eine Reihe von besonderen Merkmalen stellt sicher, dass Vögel diese Voraussetzungen erfüllen. So sind Vogelknochen im Innern in der Art von Waben aufgebaut. Dadurch sind sie nicht nur fest, sondern auch leicht. Die kleinen Zaunkönige zum Beispiel werden nicht schwerer als rund zehn Gramm. Die großen Fregattvögel mit ihrer Flügelspannweite von mehr als zwei Metern haben ein Gewicht von bis zu eineinhalb Kilogramm. Die besonders leichten Knochen haben daran lediglich einen Anteil von einigen Prozent. Auch die Tatsache, dass Vögel keine Zähne und keinen muskulösen Kieferapparat besitzen, trägt zu ihrem geringen Gewicht bei. Die Nahrung wird nicht im Mund zerkaut, sondern in einem speziellen Verdauungsorgan in der Nähe des Magens, dem Kropf, zermahlen.

Bei den Flügeln von Vögeln handelt es sich um umgebildete Vordergliedmaßen. Luftströme werden durch sie so geleitet, dass ein Auftrieb entsteht. Einen Schub nach vorn verschaffen sich die Tiere, indem sie die Flügel so drehen, dass die Luft nach hinten gedrückt wird. Das Schlagen der Flügel erfolgt mithilfe mächtiger Brustmuskeln. Manche Vögel, so etwa die kleinen Kolibris, müssen ständig mit den Flügeln schlagen, um in der Luft zu bleiben. Andere, zum Beispiel Habichte, sind so gebaut, dass sie in Luftströmungen segeln können und dabei nur gelegentlich mit den Flügeln schlagen müssen. Einen entscheidenden Beitrag zur aerodynamischen Gestalt der Flügel leisten die elastischen und leichten Federn, die aus einem Eiweißstoff namens Keratin bestehen. Keratin ist in Haaren ebenso enthalten wie in den Schuppen von Reptilien und Fingernägeln.

Vor ungefähr 235 Millionen Jahren tauchten die ersten Dinosaurier auf, deren Name auf den britischen Naturforscher Sir Richard Owen (1804 bis 1892) zurückgeht. Der Begriff ist aus dem Griechischen abgeleitet und bedeutet so viel wie Schreckensechse. Bis zu ihrem Aussterben vor rund 66 Millionen Jahren prägten diese Landwirbeltiere das Leben auf der Erde. Traditionell werden sie als Reptilien betrachtet. Zahlreiche Wissenschaftler gehen davon aus, dass die nächsten Verwandten der ersten Vögel Theropoden waren, kleine Raubdinosaurier. Wenn der Ausdruck Urvogel fällt, ist in der Regel vom Archaeopteryx die Rede, einem Tier, das sich anhand von Fossilien für die Zeit vor etwa 150 Millionen Jahren belegen lässt. Der Archaeopteryx hatte wie Reptilien einen langen Schwanz mit Wirbeln und Zähne, zugleich aber Flügel und Federn, wie sie auch bei Vögeln zu finden sind.

Eine Forschergruppe um Oliver Rauhut von der Ludwig-Maximilians-Universität München hat vor zwei Jahren im Fachjournal „Nature“ Erkenntnisse veröffentlicht, die sie bei der Untersuchung eines Archaeopteryxfossils mit besonders gut erhaltenen Spuren von Federn gewonnen hatte. Federn befanden sich bei den Tieren, die etwa die Größe von Raben hatten, auch am Körper und an den Beinen. Die Wissenschaftler nehmen an, dass das Federkleid unterschiedliche Aufgaben erfüllte. So habe es vermutlich zur Wärmeisolation und zur Tarnung gedient. Eine schmückende Funktion hätten wahrscheinlich besonders die Federn am Schwanz, an den Flügeln und Hinterbeinen gehabt. Die seitlichen Schwanzfedern, so erklärten die Forscher, seien aerodynamisch geformt gewesen. Deshalb sei anzunehmen, dass sie für die Flugfähigkeit von Bedeutung gewesen seien. Wie gut der Archaeopteryx fliegen konnte, ist eine Frage, über die Wissenschaftler seit Langem rätseln. Möglicherweise konnte er lediglich kleinere Strecken im Gleitflug zurücklegen. Von den Flugfähigkeiten, die manche heutige Vögel besitzen, waren die des Archaeopteryx wahrscheinlich sehr weit entfernt.

Schlafphasen während des Fluges

Nach Angaben des Max-Planck-Instituts für Ornithologie in Seewiesen (Bayern) gibt es eine Reihe von Arten, die ohne Unterbrechung für Tage, Wochen oder gar Monate in der Luft bleiben können. Zu diesen Tieren zählen die Fregattvögel mit ihren langen schmalen Flügeln. Sie sind über Wochen ununterbrochen über Meeren unterwegs, wo sie Fische und Tintenfische jagen, die von Raubfischen oder Walen an die Oberfläche getrieben werden. Nach den Erkenntnissen einer internationalen Forschergruppe um Niels Rattenborg vom Max-Planck-Institut für Ornithologie fliegen die Tiere zeitweilig im wahrsten Sinne des Wortes im Schlaf.

Dass Schlaf grundsätzlich lebenswichtig ist, verdeutlicht das Beispiel des Menschen. Wie Studien gezeigt haben, leiden bei schlechtem beziehungsweise zu wenig Schlaf die Aufmerksamkeit und das Konzentrationsvermögen. Außerdem ließ sich nachweisen, dass Schlaf die Wundheilung fördert und das Immunsystem stärkt. Auch Tiere schlafen – allerdings zum Teil anders als Menschen. Bei Delfinen zum Beispiel wechseln sich im Schlaf die Hirnhälften ab; eine Hälfte bleibt immer aktiv. Vergleichbares hat Rattenborg bei Enten beobachtet. Tiere, die sich am Rand einer Gruppe befinden, halten demnach das nach außen gerichtete Auge offen. Die dazugehörige Hirnhälfte bleibt wach, während die mit dem geschlossenen Auge verbundene Hälfte schläft.

Für die neue Studie zu Fregattvögeln hatte die Forschergruppe unter der Leitung des Wissenschaftlers aus Seewiesen Tiere mit kleinen Messgeräten ausgestattet, die Gehirnströme und Kopfbewegungen registrierten. Nachdem die Tiere wieder eingefangen und von den Geräten befreit worden waren, wurden die Daten ausgewertet. Wie sich zeigte, waren die Vögel tagsüber wach geblieben, um nach Nahrung zu suchen. Nachts hatte es Schlafphasen von mehreren Minuten Länge gegeben, während die Tiere im Gleitflug waren. Wenn die Fregattvögel die kreisenden Bewegungen aufsteigender Luftströme genutzt hatten, war zumeist eine Hirnhälfte wach geblieben. „Die Fregattvögel halten ein Auge offen, um einen Zusammenstoß mit anderen Vögeln zu verhindern – genau wie die Enten, die ein Auge auf potenzielle Fressfeinde werfen“, sagt Rattenborg. Nach seinen Angaben schlafen Fregattvögel auf ihren langen Flügen insgesamt im Durchschnitt nur etwa eine Dreiviertelstunde pro Tag. An Land dagegen seien es mehr als zwölf Stunden.

Auch wenn bei kurzem Hinsehen ein anderer Eindruck entstehen kann, unterscheidet sich der Flug der Insekten nicht in jeder Hinsicht von dem der Vögel. Auch Insekten nutzen den Flügelschlag, um voranzukommen. Die Schlagfrequenz ist bei ihnen allerdings wesentlich größer. So erreichen beispielsweise Libellen eine Frequenz von bis zu 40 Schlägen in der Sekunde. Aufgrund des schnellen Flügelschlags entstehen Luftverwirbelungen, die für den erforderlichen Auftrieb sorgen. Die Insektenflügel haben sich aus Ausstülpungen der Haut entwickelt. Bewegt werden sie mithilfe starker Muskelpakete, die direkt mit ihnen verbunden sind.

Lernen von Libellen

Zu den Wissenschaftlern, die von der Natur zu lernen versuchen, gehört Professor Albert Baars von der Hochschule Bremen. Er hat sich in den vergangenen Jahren unter anderem mit dem Flug der Libellen befasst. Libellenflügel haben nach seinen Angaben keine ebene, sondern eine gezackte Oberfläche. Außerdem befinde sich an deren Hinterseite eine sogenannte Aufkantung, das heißt: Kante und Flügel erinnerten an einen T-Träger. Die Kante habe die Aufgabe, die Stabilität des Flügels zu erhöhen.

Nach den Worten des Bremer Maschinenbau-Ingenieurs ist normalerweise damit zu rechnen, dass hinter dem fliegenden Insekt eine sogenannte Kármánsche Wirbelstraße entsteht. Hinter diesem Ausdruck verbirgt sich das Anfang des 20. Jahrhunderts von dem in Ungarn geborenen Physiker Theodore von Kármán beschriebene Phänomen, dass sich hinter einem umströmten Körper gegenläufige Wirbel ausbilden. Diese wirken sich nachteilig auf den Auftrieb beziehungsweise das Flugverhalten aus. Dass Libellen stabil fliegen und keine Wirbelstraße auftritt, hängt nach den Angaben von Baars mit herzförmigen Strukturen innerhalb der Aufkantung zusammen. Mit anderen Worten: Die Natur hat Wege gefunden, um mithilfe entsprechender geometrischer Strukturen ein möglichst gutes Flugverhalten zu erreichen.

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