News: Insekten unter Strom
Menschen schwitzen, Hunde hecheln, aber wie verschaffen sich Insekten Abkühlung bei allzu heißer Witterung? Manche Wespenart setzt vielleicht auf eine thermoelektrische Kühlung.
© (Ausschnitt)
Jede Spezies hat so ihre eigene ganz persönliche Art, mit hohen Temperaturen fertig zu werden. Uns Menschen steht schnell der Schweiß auf der Stirn, wenn es mal besonders heiß ist. Die Verdunstungswärme entzieht dann unserem Körper Energie, sodass seine Temperatur ein wenig fällt. Ein vierbeiniger Begleiter kann es seinem Herrchen jedoch nicht gleich tun. Sein Fell stört beim Schwitzen, und so regelt er seine Temperatur über die triefende Hundeschnauze. Verdunstung ist aber auch hier das richtige Rezept. Doch wie machen es Insekten?
Die Sozialen Faltenwespen (Vespidae), die auf dem gesamten Erdball anzutreffen sind, mögen es zwar in ihrem Nest mollig warm. 29 Grad Celsius zeigt hier das Thermometer. Auf ihren mitunter Kilometer weiten Ausflügen auf der Suche nach Nahrung wird es aber auch diesen Insekten zu heiß. Denn eine halbe Stunde Flug bei Temperaturen von bis zu 60 Grad Celsius ist keine Seltenheit. Und zusätzliche Wärme der arbeitenden Flugmuskulatur heizt den Schwarz-gelb-gekleideten obendrein ordentlich ein.
Erstaunlicherweise bleibt jedoch der Körper der Tiere auch bei erbarmungsloser Hitze vergleichsweise kühl. Das stellten auch Jacob Ishay und seine Kollegen von der Tel Aviv University fest, als sie Orientalische Hornissen (Vespa orientalis) mit einer Wärmebildkamera beobachteten. Zuweilen lag die Körpertemperatur bis zu drei Grad unter der Umgebungstemperatur. Irgendwie müssen die Insekten also Wärme abführen. Aber wie?
Eigentlich bietet die Thermodynamik dazu nur zwei Möglichkeiten: Verdunstung oder eine Wärmepumpe. Ersteres, so argumentieren Ishay und Co, scheide aus, da die Cuticula – die feste Körperhülle der Insekten – keine Schweißdrüsen besitzt und obendrein trocken ist. Flüssigkeit könnte nur aus der Mundöffnung oder am Stachel austreten, was durchaus zu beobachten ist, aber offenbar nicht reicht, um das Tier ausreichend zu kühlen.
Bleibt also nur eine Wärmepumpe, um sich der überschüssigen Energie zu entledigen. Dabei transportiert der einfachste Mechanismus Wärme von einem Reservoir tiefer Temperatur in eines höherer Temperatur. So ein Prozess läuft nach den Gesetzen der Physik jedoch nie von selbst ab, es bedarf vielmehr Arbeit, die ihn in Gang hält. Und diese Arbeit wiederum kann eigentlich nur auf mechanischem Wege, wie bei den Kompressoren im Kühlschrank, oder auf elektrischem Wege, einem Thermoelement entsprechend, geleistet werden.
Der mechanische Weg scheidet laut Ishay und seinem Team jedoch aus, denn in der dünnen Cuticula wäre schlichtweg kein Platz für mechanische Arbeit. Und die tiefen Temperaturen müssten schon irgendwo in der Cuticula entstehen, sonst ließe sich nicht der ganze Körper kühlen – insbesondere nicht die Flügel, die aus nicht viel mehr als zwei Lagen dieser Struktur bestehen. Es deutet also alles auf eine elektrische Wärmepumpe, schließen die Wissenschaftler.
Auch eine andere Entdeckung, welche die Forscher bereits vor fünf Jahren machten, passt zu dieser Vermutung: So ist das Material der Cuticula offenbar wie eine Solarzelle dazu in der Lage, einen Teil des Sonnenlichts in Strom umzuwandeln. Zusammen mit Strom, der eventuell bei physiologischen Vorgängen auf chemischem Wege innerhalb des Körpers entsteht, ließe sich wohl genug Elektrizität aufbringen, um einen Wärmetransport nach außen zu bewerkstelligen.
Eine bestechende Idee, doch hat die Cuticula dazu überhaupt die nötigen physikalischen Eigenschaften? Anhand bekannter und abgeschätzter Werte für elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Thermokraft berechneten die Forscher die maximal zu erwartende Temperaturdifferenz. Zwar ist das Ergebnis, 0,3 Grad Celsius, um den Faktor zehn zu klein. Allerdings seien die Größen, die in die Rechnung eingeflossen sind, auch noch nicht hinreichend genau bekannt, vor allem nicht in der benötigten Geometrie. Außerdem ähnelt die mikroskopische Struktur der Cuticula in verblüffender Weise kommerziell erhältlichen Wärmepumpen – mal davon abgesehen, dass die natürliche Ausführung viel filigraner ist.
Wenn sich die Arbeit der Forscher tatsächlich als hieb- und stichfest erweist, dann ist die Orientalische Hornisse jedenfalls das erste bekannte Lebewesen, das sich einer thermoelektrischen Kühlung bedient. Gewisse Vorteile hätte diese Laune der Natur. So wäre der Kühleffekt bei sonnigem Wetter besonders groß, denn schließlich würde dann zusätzlicher fotovoltaischer Strom das natürliche Thermoelement speisen.
Andererseits ließe sich die eingebaute Wärmepumpe auch bei kalten Temperaturen nutzen, um den Körper auf Betriebstemperatur zu bringen. Der Mechanismus müsste dann nur umgekehrt ablaufen. Vielleicht gelingt es den Hornissen auf diese Weise andere Insekten in punkto Kälteresistenz auszustechen.
Die Sozialen Faltenwespen (Vespidae), die auf dem gesamten Erdball anzutreffen sind, mögen es zwar in ihrem Nest mollig warm. 29 Grad Celsius zeigt hier das Thermometer. Auf ihren mitunter Kilometer weiten Ausflügen auf der Suche nach Nahrung wird es aber auch diesen Insekten zu heiß. Denn eine halbe Stunde Flug bei Temperaturen von bis zu 60 Grad Celsius ist keine Seltenheit. Und zusätzliche Wärme der arbeitenden Flugmuskulatur heizt den Schwarz-gelb-gekleideten obendrein ordentlich ein.
Erstaunlicherweise bleibt jedoch der Körper der Tiere auch bei erbarmungsloser Hitze vergleichsweise kühl. Das stellten auch Jacob Ishay und seine Kollegen von der Tel Aviv University fest, als sie Orientalische Hornissen (Vespa orientalis) mit einer Wärmebildkamera beobachteten. Zuweilen lag die Körpertemperatur bis zu drei Grad unter der Umgebungstemperatur. Irgendwie müssen die Insekten also Wärme abführen. Aber wie?
Eigentlich bietet die Thermodynamik dazu nur zwei Möglichkeiten: Verdunstung oder eine Wärmepumpe. Ersteres, so argumentieren Ishay und Co, scheide aus, da die Cuticula – die feste Körperhülle der Insekten – keine Schweißdrüsen besitzt und obendrein trocken ist. Flüssigkeit könnte nur aus der Mundöffnung oder am Stachel austreten, was durchaus zu beobachten ist, aber offenbar nicht reicht, um das Tier ausreichend zu kühlen.
Bleibt also nur eine Wärmepumpe, um sich der überschüssigen Energie zu entledigen. Dabei transportiert der einfachste Mechanismus Wärme von einem Reservoir tiefer Temperatur in eines höherer Temperatur. So ein Prozess läuft nach den Gesetzen der Physik jedoch nie von selbst ab, es bedarf vielmehr Arbeit, die ihn in Gang hält. Und diese Arbeit wiederum kann eigentlich nur auf mechanischem Wege, wie bei den Kompressoren im Kühlschrank, oder auf elektrischem Wege, einem Thermoelement entsprechend, geleistet werden.
Der mechanische Weg scheidet laut Ishay und seinem Team jedoch aus, denn in der dünnen Cuticula wäre schlichtweg kein Platz für mechanische Arbeit. Und die tiefen Temperaturen müssten schon irgendwo in der Cuticula entstehen, sonst ließe sich nicht der ganze Körper kühlen – insbesondere nicht die Flügel, die aus nicht viel mehr als zwei Lagen dieser Struktur bestehen. Es deutet also alles auf eine elektrische Wärmepumpe, schließen die Wissenschaftler.
Auch eine andere Entdeckung, welche die Forscher bereits vor fünf Jahren machten, passt zu dieser Vermutung: So ist das Material der Cuticula offenbar wie eine Solarzelle dazu in der Lage, einen Teil des Sonnenlichts in Strom umzuwandeln. Zusammen mit Strom, der eventuell bei physiologischen Vorgängen auf chemischem Wege innerhalb des Körpers entsteht, ließe sich wohl genug Elektrizität aufbringen, um einen Wärmetransport nach außen zu bewerkstelligen.
Eine bestechende Idee, doch hat die Cuticula dazu überhaupt die nötigen physikalischen Eigenschaften? Anhand bekannter und abgeschätzter Werte für elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Thermokraft berechneten die Forscher die maximal zu erwartende Temperaturdifferenz. Zwar ist das Ergebnis, 0,3 Grad Celsius, um den Faktor zehn zu klein. Allerdings seien die Größen, die in die Rechnung eingeflossen sind, auch noch nicht hinreichend genau bekannt, vor allem nicht in der benötigten Geometrie. Außerdem ähnelt die mikroskopische Struktur der Cuticula in verblüffender Weise kommerziell erhältlichen Wärmepumpen – mal davon abgesehen, dass die natürliche Ausführung viel filigraner ist.
Wenn sich die Arbeit der Forscher tatsächlich als hieb- und stichfest erweist, dann ist die Orientalische Hornisse jedenfalls das erste bekannte Lebewesen, das sich einer thermoelektrischen Kühlung bedient. Gewisse Vorteile hätte diese Laune der Natur. So wäre der Kühleffekt bei sonnigem Wetter besonders groß, denn schließlich würde dann zusätzlicher fotovoltaischer Strom das natürliche Thermoelement speisen.
Andererseits ließe sich die eingebaute Wärmepumpe auch bei kalten Temperaturen nutzen, um den Körper auf Betriebstemperatur zu bringen. Der Mechanismus müsste dann nur umgekehrt ablaufen. Vielleicht gelingt es den Hornissen auf diese Weise andere Insekten in punkto Kälteresistenz auszustechen.
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