Blutkreislauf als Vorbild für ein Leitungsnetz – Wie messen Rüsselkäfer die Geschwindigkeit?

Von Thomas v. Randow

Warum hat noch nie jemand einen Vogel gehört, der seine arteigene Melodie rückwärts singt?

Diese Frage – sie wird in dem faszinierenden Buch "The Scientist Speculates" gestellt (ZEIT Nr. 3/63) – regte einen englischen Wissenschaftler zu folgenden Gedanken an: Singvögel brauchen, das haben Experimente, bewiesen, ihre Melodien nicht zu lernen, sie sind angeboren, also in irgendeinem Chromosom festgelegt. In welcher Weise, kann zwar niemand sagen, doch soviel ist sicher: Der Gesang kann nicht Ton für Ton entlang den Chromosomen an hintereinanderliegenden Punkten manifestiert sein, etwa wie geschriebene Noten. Denn wäre dies der Fall, dann müßte man mitunter Vögeln begegnen, die rückwärts singen. In der Natur kommt es nämlich gelegentlich vor, daß Chromosomen "verkehrt herum" vererbt werden – der Biologe nennt dies eine Inversion –, und in einem solchen Falle würde das Notenblatt gewissermaßen von rechts nach links zu lesen sein.

Diese Überlegung, die übrigens von ihrem anonymen Autor ausdrücklich als halbgare Idee hingestellt wird, ist ein typisches Beispiel für ein Verfahren, das in der Forschung zunehmend an Bedeutung gewinnt: Der Rückschluß vom Verhalten eines Organismus auf dessen innere Struktur. Besonders häufig begegnen wir dieser Methode in einer Wissenschaft, die seit etwa einem Jahrzehnt betrieben wird, aber erst vor drei Jahren, bei einer Konferenz der US-Luftwaffe, einen Namen erhielt: in der Bionik. Ihr Gebiet liegt, wie das der Kybernetik, mit der sie verwandt ist, im Niemandsland zwischen den etablierten wissenschaftlichen Disziplinen, zwischen Biologie und Technik.

In der Bionik geht es darum, die Prinzipien zu verstehen, nach denen lebende Organismen funktionieren und um die Anwendung dieser Prinzipien in der Technik. Und da sich allerlei militärische Anwendungen daraus ergeben können, hat sich die junge Wissenschaft in den USA und in der Sowjetunion in Windeseile zu einem immens großen Forschungsfeld ausgeweitet, auf dem emsig und mit viel staatlicher Unterstützung gearbeitet wird.

Eines der eindrucksvollsten Beispiele bionischer Forschung lieferte vor vier Jahren der jetzige Direktor am Max Planck-Institut für Biologie in Tübingen, Dr. Werner Reichardt. Der junge Forscher wollte untersuchen, wie Insekten Bewegungen sehen. Hierzu bediente sich Reichardt einer raffinierten Versuchsanordnung, bei der er das Verhalten eines Rüsselkäfers unter dem Einfluß verschiedener bewegter Lichtreize registrieren konnte. Mit großer Geduld sammelte der Physiker auf diese Weise eine Fülle von Daten, Ergebnisse, die ihm schließlich einen vollständigen Überblick über die Reaktionen des Tieres auf bewegte Gegenstände gab.

Nun wandte der Wissenschaftler die gleiche Methode an, mit der unser Engländer den Vogelgesang untersucht hatte. Gegeben war das Verhalten des Käfers, gesucht wurde sein visueller Mechanismus. Reichardt entwarf ein sogenanntes Blockdiagramm, eine "theoretische Maschine", die sich, wäre sie konstruierbar, in jedem einzelnen Fall genau so verhalten müßte wie der Rüsselkäfer.

Von diesem Schema konnte der Forscher ablesen, nach welchem Prinzip das Nervensystem des Tieres eine Geschwindigkeit registriert. Der Käfer nimmt die Bewegung eines Objektes wahr, ohne dessen Gestalt zu erkennen. Er benötigt dazu nur zwei Facetten seines Auges, die den Gegenstand, da er sich bewegt, zu zwei verschiedenen Zeitpunkten aufnehmen. Im Gehirn werden die beider; hintereinander eintreffenden, gleichartigen Signale dann, grob gesagt, zu einem Produktreiz kombiniert, der für die Geschwindigkeit des gesehenen Objektes charakteristisch ist.

Weder die Augen noch die Nervenbahnen des Käfers hat Reichardt untersuchen müssen, um hinter das Geheimnis des Sehvorganges zu kommen. Allein das Verhalten des Tieres unter den verschiedensten Bedingungen und freilich eine geniale mathematische Interpretation der Beobachtungen genügten dem Forscher zu der Entdeckung einer bisher unbekannten Methode der Geschwindigkeits-Registrierung.

Inzwischen hat man nach dem Rüsselkäfer-Modell ein Flugzeug-Tachometer gebaut, ein Instrument, mit dem die Geschwindigkeit über Grund gemessen wird.

Froschaugen für die Flak

Ebenfalls der Luftfahrt – freilich in erster Linie der militärischen – soll ein Gerät dienen, das Flugzeuge vom Boden aus erkennen kann. Es wurde im Auftrag der US Air Force von mehreren Firmen gebaut. Eine vorüberziehende Wolke oder ein Vogel, der in das Blickfeld des Apparates gerät, läßt diesen völlig kalt, doch sobald ein Flugzeug, gleich welchen Typs, erscheint, schlägt die Maschine Alarm. Für ihre Konstruktion diente als Vorbild das Froschauge und das mit ihm verbundene Nervensystem.

Der Frosch hat vier verschiedene Arten von Detektoren, mit denen er einfache visuelle Eindrücke grob registriert. Der eine Detektor spricht zum Beispiel nur auf Veränderungen der Helligkeit an, ein anderer nimmt lediglich bewegte runde oder ovale Gegenstände wahr. Statt des Bildes einer vorüberfliegenden Mücke erfaßt das Tier nur eine abstrakte Gestalt: etwas sich bewegendes Konvexes, sonst nichts.

Jahrmillionen lang konnte der Frosch den Lebenskampf mit diesem visuellen System bestehen, deshalb blieb er im Verlaufe der Evolution auf dieser primitiven Stufe stehen. Glücklicherweise, denn dank seiner Primitivität ließ sich dieser Seh-Mechanismus in allen Einzelheiten studieren und technisch nachbilden. Die amerikanischen Forscher Jereome Y. Lettvin und Umberto R. Maturana, denen dies gelang, machten ihre Entdeckung im Gegensatz zu Reichardt direkt an den Sensoren und Nervenbahnen der Tiere mit ultrafeinen Elektroden und mikroskopischen Untersuchungen.

In den meisten Fällen jedoch entdeckte man erst nachträglich in der Natur die Funktionsweisen, die der Mensch für seine Maschinen erfunden hat. Das bekannteste Beispiel dafür ist die Echolotung der Fledermaus. Auf seiner Nahrungssuche stößt das Tier ungefähr zehn kurze Ultraschall-Rufe pro Sekunde aus und lauscht mit seinen großen Ohren nach dem Echo. An der Art dieses Echos kann die Fledermaus erkennen, ob es von einem Insekt, einem Baum oder Fels reflektiert wurde, ob sie also hinfliegen oder den Kurs ändern soll.

Sonar- und Radar-Systeme dieser Art hat man noch bei vielen anderen Tierarten entdeckt, bei Vögeln zum Beispiel, bei einigen Fischen und dem Delphin; aber als der Mensch das erste Sonar baute, um damit U-Boote zu orten, waren diese Beispiele aus der Natur noch unbekannt.

Unbekannt war es auch den Erfindern der Dampfmaschine und des Automobils, daß ein Arbeitsprinzip der Kolbenmotoren bereits in der Natur verwirklicht war, und zwar bei der gemeinen Stubenfliege. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß zwei Flügelschläge der Fliege so rasch aufeinanderfolgen, daß sie unmöglich von einem Nervenzentrum aus gesteuert sein können. So schnell laufen die Nervenimpulse nicht. Daher muß ein Flügelschlag den nächsten automatisch nach sich ziehen, so wie jeder Kolbentakt im laufenden Motor von dem vorhergehenden bewirkt wird.

Doch nicht nur für Kolbenmaschinen hätte die Fliege als Vorbild dienen können, sondern auch für den Kreiselkompaß: Winzige Vibrationskörper, die sich an den Flügelenden des Insekts befinden, reagieren auf plötzliche Richtungsänderungen im Flug wie Gyroskope. Mit Hilfe dieses Vibrationskompasses hält die Fliege ihre Balance. Übrigens werden gegenwärtig nach diesem Vorbild der Natur sogenannte "Vibro-Gyros" als Stabilisationshilfen für Flugzeuge gebaut.

Die biologischen Funktionsprinzipien haben sich im Laufe von vielen Millionen Jahren entwickelt. Es ist daher kein Wunder, daß die Techniker versuchen, derart altbewährte Methoden zu kopieren. Freilich, die Natur ist auch auf manche höchst praktische Ideen nicht gekommen; sie hat zum Beispiel nicht das Rad als Bewegungsmechanismus hervorgebracht. Hätten wir uns bei der Konstruktion von Transportmitteln an die biologischen Modelle gehalten, dann müßten wir jetzt mit "Laufzeugen" über die Autobahn traben.

Hier setzt die Kritik an der bionischen Forschung an. Manche Wissenschaftler glauben nämlich, daß man heutzutage zuviel Mühe aufwendet, um so hoffnungslos komplizierte Systeme wie etwa das Gehirn nachzubauen. Bei derartigen Versuchen werden der Phantasie des Technikers Fesseln angelegt, sagen die Kritiker. Schließlich hat auch die Imitation des Vogelfluges nur zu Unfällen geführt; fliegen hat der Mensch erst gelernt, als er sich ein unnatürliches Propellerflugzeug konstruierte.

Umwälzende technische Neuerungen hat die Bionik in der Tat noch nicht gebracht. Die Maschinen der Raumfahrt, der modernen Nachrichtentechnik und der Automation sind freie Schöpfungen des menschlichen Geistes. Man muß allerdings bedenken, daß es erst seit wenigen Jahren Bioniker gibt. Die Methoden, die man technisch anwenden will, müssen der Natur ja erst abgelauscht werden. Deshalb sind die Ergebnisse der bionischen Forschung vorerst fast ausschließlich der Wissenschaft zugute gekommen.

In der Enzephalographie hat das seit kurzen erwachte Interesse der Nachrichtentechniker an den Hirnströmen zu neuen Interpretationen des Lern- und Denkvorgangs geführt, und Ingenieurs haben den Physiologen endlich erklären können, warum die Knochengelenke nahezu reibungsfrei funktionieren. Die Hirnforschung hat einen enormen Aufschwung genommen, seitdem Elektroniker und Physiker Modelle aus Drähten und Transistoren bauen, die spielen, lernen, malen und sogar komponieren können.

Beim diesjährigen Bionik-Kongreß in Dayton berichtete Vincent E. Guiliano über einen Elektronenrechner, den er so programmiert und zusammengeschaltet hat, daß Impulsmessungen, die an verschiedenen Punkten der Maschine vorgenommen werden, ein ähnliches Bild ergeben wie die Registrierung von Impulsen mit Elektroden, die in einem lebenden Katzengehirn stecken. In ähnlicher Weise, wie sich diese Impulsverteilung bei der Katze mit zu- und abnehmender Hirntätigkeit ändert, wandelt sich auch das "Enzephalogramm" der Maschine bei wechselnden Belastungen. Dieser Apparat leistet zwar keine nutzbringende Arbeit – er funktioniert nur so vor sich hin –, aber mit der Vervollkommnung des Gerätes, das heißt mit der immer besseren Angleichung der Impulsverteilung an die Meßergebnisse aus dem Katzengehirn, durch neue Programme und Umkonstruktionen der Maschine hofft man, einmal auf ein Schalt- und Funktionsbild zu stoßen, das wie Reichardts Blockdiagramm den Arbeitsablauf im natürlichen Vorbild erklärt.

Einen mehr auf die Praxis zugeschnittenen Forschungsplan brachte Professor Harry Lobel auf der Bionik-Konferenz zur Sprache. Er möchte ein ärgerliches Problem lösen: Wenn Flüssigkeiten durch Röhrensysteme fließen, gibt es oft Überraschungen. Irgendwo bildet sich plötzlich ein Strudel oder es machen sich unerklärliche Druckunterschiede in dem System bemerkbar.

Das Problem ist uralt. Vor zweitausend Jahren machte es den Griechen viel zu schaffen, weil ihre Wasseruhren wegen der Turbulenzen in den Leitungen nachgingen. Die Römer hatten Kummer mit ihrem Aquädukt; sie konnten bei der Wassergeld-Erhebung nicht gerecht verfahren, denn obwohl man die Zuleitungen in den Gebäuden mit einheitlichen Kupferdüsen versehen hatte, floß das Wasser in den einzelnen Häusern höchst unterschiedlich – die einen bekamen mehr, die anderen weniger. Heute bereitet das hydrodynamische Puzzle den Militärs Ärger: Strudel in den Wasser- und Ölleitungen der U-Boote verursachen verräterische Geräusche, die vom Feind in großer Entfernung abgehört werden können.

Gelöst hat dieses Problem bisher nur die Natur – im Blutkreislauf. Dieser nämlich ist ein weitverzweigtes hydrodynamisches System mit einem unregelmäßig pulsierenden Stromfluß durch sehr verschiedene und dazu noch veränderliche Rohrquerschnitte und Leitungskrümmungen. Darin müßte es von Strudeln wimmeln. Doch im Kreislauf des gesunden Menschen kommen Turbulenzen kaum vor, und wenn sie auftreten, dann werden sie von einem Herzschlag zum nächsten eliminiert.

Elektrischer Strom statt Blut

Welcher Mechanismus bewirkt diese Glättung des Blutflusses? Das möchte Dr. Lobel jetzt herausbekommen. Er benutzt dazu elektrische Kreise, in denen pulsierende Ströme fließen, die eine Reihe von festen und veränderlichen Widerständen zu überwinden haben.

Die Stromkreise braucht der Forscher nicht wirklich zu bauen. Es genügt, wenn er sie auf dem Papier entwirft, denn wie sich Wechselstrom in elektrischen Systemen verhält, läßt sich stets genau voraussagen.

Wieder handelt es sich darum, das Stromkreismodell in seiner Funktion möglichst genau dem Verhalten des natürlichen Vorbildes anzugleichen. Wenn dies gelungen ist, hofft Lobel des Rätsels Lösung in dem Schaltdiagramm seines Modells zu finden. Dann dürfte es auch nicht mehr schwierig sein, den Regelmechanismus des Blutkreislaufs technisch zu kopieren.

An praktischen Anwendungen wird es nicht fehlen. Zum Beispiel hofft die Air Force, die das Forschungsprojekt finanziert, daß man das Betanken von Flugzeugen in der Luft beschleunigen kann, was strategisch recht bedeutsam wäre. Wegen der möglichen Strudelbildung im Tankschlauch läßt sich nämlich die Brennstoffmenge, die pro Zeiteinheit umgefüllt wird, nicht mehr steigern.