Verleiht Fliegen Flügel

Der Neurobiologe Steven Fry will wissen, wie Insekten fliegen. Bereits hat der 37-Jährige in «Science» zur Biomechanik des Fliegenflugs publiziert. Nun gedenkt er die neuronalen Grundlagen des Fliegens mit Hilfe von Gentechnik und Virtual Reality zu entschlüsseln. Der Forschungskredit der Universität Zürich unterstützt ihn dabei.

Ruth Jahn

Wirkt hier nur statisch, in Wirklichkeit schlägt sie beim Fliegen 200 mal pro Sekunde mit den Flügeln: die Fruchtfliege. (Bild: Internet)

Ganz so einfach, wie es ein Getränkehersteller in seinem Werbespot behauptet («Verleiht Flüüüüüügel!»), ist das Fliegen nicht. Auch Neurobiologen haben lange Jahre unterschätzt, was Insekten alles tun müssen, um ihren Flug zu steuern und nicht abzustürzen. Im Jahr 2003 scheuchte der Neurobiologe Steven Fry vom Institut für Neuroinformatik der Universität Zürich mit einer «Science»-Publikation die Forscher-Szene definitiv auf. Er konnte darin zeigen, dass der Flug der geflügelten Sechsbeiner nicht einfach durch Reibung stabilisiert wird: «Die Insekten müssen bei ihren Flugmanövern laufend beschleunigen, bremsen und Gegensteuer geben», erklärt Fry. Will heissen: Die Kunst des Fliegens basiert besonders bei kleinen Insekten auf äusserst komplexen neuronalen Vorgängen.

Riesenflügel im Ölbad

Schon in seiner Doktorarbeit hat sich Steven Fry mit dem Insektenflug beschäftigt. Er untersuchte, wie sich Bienen anhand von Landmarken orientieren, um Futterquellen zu finden und sich auf dem Heimflug nicht zu verirren.

Danach wurde die Biomechanik des Insektenflugs sein Thema. Anders als die meisten Forscher, die den Flug von Insekten anhand von an einem Draht hängenden Tieren untersuchten, wagte sich Steven Fry an den freien Flug. Er benutzte Highspeed-Kameras und zeichnete mit diesen den Insektenflug aus drei Blickwinkeln auf – 5000 Bilder pro Sekunde.

Die Schnelligkeit der Flugbewegungen ist beachtlich: 200-mal pro Sekunde schlägt eine fliegende Fliege mit den Flügeln; wenn sie abdreht, dauert das nur gerade eine Zehntelssekunde. Um die Kräfte solch schneller Bewegungen zu messen, benutzte Steven Fry während seiner Postdoc-Zeit in Berkeley eine Art Fliegenflugsimulator: Dieser besteht aus einem nachgebildeten Riesen-Flügel in einem Ölbad, der sich über hundert mal langsamer bewegt als ein echter Fliegenflügel. Dieser Trick ermöglichte es Fry und seinen Kollegen, die Kräfte zu messen, die auf den schlagenden Insektenflügel einwirken.

Neurobiologe Steven Fry zeichnet mit 3D-Kameras den Flug der Drosophila im Windkanal auf. (Bild: Ruth Jahn)

Windkanal mit 3D-Videotracking

Heute schickt Steven Fry seine Fliegen in einen Windkanal und verfolgt ihren Flug im automatisierten 3D-Videotracking – eine Technik, die er bereits während seiner Doktorarbeit entwickelt hat. Ziel ist, die neuronalen Grundlagen des Fliegenflugs zu verstehen. So will er etwa erklären, mit welchen Nervenzellen die Insekten den so genannten optischen Fluss wahrnehmen. Der optische Fluss hilft den Tieren, anhand der vorbeirauschenden Landschaft ihre Eigenbewegung wahrzunehmen. Ganz so, wie wir Menschen beim Zugfahren eine vorbeiziehende Landschaft als Zeichen dafür erkennen, dass wir fahren.

Für Vielflieger im Tierreich ist der optische Fluss essentiell: Er macht es Insekten oder Vögeln möglich, stabil zu fliegen und reflexartig eine kompensierende Kurskorrektur anzubringen, sobald etwas den Flug stört, eine Windböe zum Beispiel oder ein Baum, der im Weg steht, oder ein nahendes Flugobjekt. «Kurskorrekturen bedingen eine gute visuelle Rückkoppelung», erläutert Steven Fry. Diese untersucht der Forscher mit Hilfe der Gentechnik und einer Virtual-Reality-Szenerie für die fliegenden «Probanden».

Flieg, Drosophila, flieg, im computergenerierten «optischen Fluss». (Bild: Ruth Jahn)

Computergenerierter optischer Fluss

In Steven Frys Versuchsanordnung finden Fruchtfliegen im Windkanal statt einer vorbeiziehenden Landschaft einen computergenerierten optischen Fluss vor. Dieser ist nicht vom Forscher vorgegeben, sondern wird durch das Flugverhalten der Fliege erzeugt.

Fry will nun nicht nur gewöhnliche Fliegen in diese virtuelle Realität schicken, sondern auch transgene Fliegen. Die gentechnisch manipulierten Insekten tragen in bestimmten Nervenzellen des Sehsystems eingeschleuste Gensequenzen, welche die betroffenen Nervenzellen lahmlegen. Steven Fry testet so, ob die genetisch veränderten Zellen für die Verarbeitung des optischen Flusses in der Fliege zuständig sind. Erste Resultate erwartet er Ende Jahr.

Die finanzielle Unterstützung durch den Forschungskredit der Universität Zürich ermöglicht es Steven Fry, zum einen «das Projekt voranzutreiben, und zum andern hilft er mir, weitere Perspektiven für meine interdisziplinäre Forschungsarbeit zu entwickeln». – Getreu dem Motto: zwei Fliegen auf einen Schlag.

Ruth Jahn ist Wissenschaftsjournalistin.

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