Man könnte es in Prinzip sogar heraushören: Bienen schlagen eigentlich viel zu schnell mit den Flügeln. Jedenfalls, wenn es nach den herkömmlichen Kriterien in der Biomechanik des Insektenflugs geht: Je kleiner ein Insekt nämlich ist, desto höher ist normalerweise seine Schlagfrequenz.
Bienen summen nun aber mit 240 Schlägen pro Sekunde einher, die viel kleinere Fruchtfliege Drosophila zum Beispiel begnügt sich dagegen mit "lediglich" 200 Schlägen pro Sekunde.
Grund genug für Michael Dickinson vom "California Institute of Technology", einmal ein paar Bienen ins Labor zu bitten, sie in einen durchsichtigen Kasten zu setzen und sie im Flug unter die Lupe zu nehmen. Wobei das Wort "Lupe" etwas untertrieben ist für Digitalkameras, die 6000 Aufnahmen in der Sekunde schießen:
"Wir haben unsere Hochgeschwindigkeitskameras genommen. Und wir brauchten drei Stück davon, um die Bienen gleichzeitig aus verschiedenen Richtungen zu filmen und zu sehen, wie sie sich im dreidimensionalen Raum bewegen. Wir haben sie dabei gefilmt, wie sie von einer kleinen Blume abheben und in den Schwebeflug gehen. Das wichtigste war, sehr genau zu erfassen, was sie mit ihren Flügeln machen, wenn sie über der Blume schweben."
Dafür sorgt ein spezielles Computerprogramm: Es verfolgt einige markante Punkte der Bienenanatomie in allen aufgenommenen Einzelbildern des Films und kann daraus das exakte Bewegungsmuster der Flügel im Raum erfassen.
Um nicht nur genauestens zu sehen, wie ein Insekt fliegt, sondern auch zu verstehen, welche aerodynamischen Kräfte dabei wirken, hat Dickinson eine recht aufwendige Apparatur in seinem Labor stehen. Die wird nun mit den zuvor gewonnenen Bewegungsdaten gefüttert:
"Wir haben ein riesiges Roboter-Insekt, das in einem Tank, gefüllt mit drei Tonnen Mineralöl, mit seinen Flügeln schlagen kann. Da der Roboter das auf die genau gleiche Weise tut wie vorher die Biene, können wir die Kräfte messen, die er dabei erzeugt. Und die sind dann genau äquivalent zu denen, die die Biene erzeugt hätte. So können wir untersuchen, wie die Biene fliegt und sich in der Luft steuert."
Gewissermaßen als Ausgleich für die bei der Flügelschlagfrequenz an den Tag gelegte Hektik lässt es die Biene, an anderer Stelle etwas ruhiger angehen: Dickinson stellte fest, dass die Schlagamplitude, also der Winkel, in dem die Flügel auf und nieder bewegt werden, nur etwa 90 Grad beträgt. Aerodynamisch effizienter ist eigentlich ein weit ausholender Schlag mit großer Amplitude.
Aber nun sollten die Testobjekte ja auch nicht nur im Schwebeflug, also gewissermaßen in der Freizeit, sondern auch bei der Arbeit beobachtet werden. Und dafür gab es eine elegante Lösung:
"Die praktischste Manipulationsmöglichkeit ist, den Stickstoff, der normalerweise 80 Prozent der Atemluft ausmacht, im Versuchsbehälter durch Helium zu ersetzen. So haben die Tiere nach wie vor so viel Sauerstoff, wie sie benötigen. Aber die Luft hat eine viel, viel geringere Dichte. Die Konsequenz davon ist, dass sie nun viel härter arbeiten müssen, um zu fliegen. Es ist ungefähr so, als nähme man eine Honigbiene und setzte sie unmittelbar auf einen sehr hohen Berg. Und es ist auch ungefähr so, als würde man der Biene eine Last anhängen."
Kein Problem für die fleißige Biene: Sondern die Gelegenheit, gewissermaßen den Nachbrenner zu zünden. Einerseits behielten die Tiere die schnelle Schlagfrequenz bei. Und je geringer der Luftwiderstand und je höher dadurch die sozusagen virtuell zu tragende Last, umso stärker vergrößerten die Bienen den Schlagwinkel und damit ihre aerodynamische Leistung.
"Wir haben mehrere verschiedene Theorien dazu, meine Kollegen und ich. Eine ist, dass dieses Verhalten damit zusammenhängt, dass Bienenstaaten eine sehr spezielle Ökologie haben. Bienen müssen beim Fliegen in der Lage sein, sehr schwere Lasten zu tragen, wenn sie Pollen und Nektar zum Stock bringen. So gibt ihnen vielleicht die Tatsache, dass sie beim Schweben ein wenig ineffizient fliegen, und dafür schwer beladen sehr effizient, einen größeren dynamischen Spielraum. Sie können sich sozusagen bei Bedarf in einen Transporthubschrauber verwandeln."
Eine weitere denkbare Möglichkeit ist, dass Bienen und ihre Verwandten im Verlauf der Evolution eine - etwa im Vergleich zu Fliegen - andere Art von Flugmuskeltyp entwickelt haben. Und dieser Muskeltyp funktioniert möglicherweise optimal bei hohen Schlagfrequenzen und sehr hoher Temperatur. Vielleicht hat also auch die Entwicklung des Flugmuskels zu der etwas besonderen aerodynamischen Strategie bei Bienen geführt.
Bienen summen nun aber mit 240 Schlägen pro Sekunde einher, die viel kleinere Fruchtfliege Drosophila zum Beispiel begnügt sich dagegen mit "lediglich" 200 Schlägen pro Sekunde.
Grund genug für Michael Dickinson vom "California Institute of Technology", einmal ein paar Bienen ins Labor zu bitten, sie in einen durchsichtigen Kasten zu setzen und sie im Flug unter die Lupe zu nehmen. Wobei das Wort "Lupe" etwas untertrieben ist für Digitalkameras, die 6000 Aufnahmen in der Sekunde schießen:
"Wir haben unsere Hochgeschwindigkeitskameras genommen. Und wir brauchten drei Stück davon, um die Bienen gleichzeitig aus verschiedenen Richtungen zu filmen und zu sehen, wie sie sich im dreidimensionalen Raum bewegen. Wir haben sie dabei gefilmt, wie sie von einer kleinen Blume abheben und in den Schwebeflug gehen. Das wichtigste war, sehr genau zu erfassen, was sie mit ihren Flügeln machen, wenn sie über der Blume schweben."
Dafür sorgt ein spezielles Computerprogramm: Es verfolgt einige markante Punkte der Bienenanatomie in allen aufgenommenen Einzelbildern des Films und kann daraus das exakte Bewegungsmuster der Flügel im Raum erfassen.
Um nicht nur genauestens zu sehen, wie ein Insekt fliegt, sondern auch zu verstehen, welche aerodynamischen Kräfte dabei wirken, hat Dickinson eine recht aufwendige Apparatur in seinem Labor stehen. Die wird nun mit den zuvor gewonnenen Bewegungsdaten gefüttert:
"Wir haben ein riesiges Roboter-Insekt, das in einem Tank, gefüllt mit drei Tonnen Mineralöl, mit seinen Flügeln schlagen kann. Da der Roboter das auf die genau gleiche Weise tut wie vorher die Biene, können wir die Kräfte messen, die er dabei erzeugt. Und die sind dann genau äquivalent zu denen, die die Biene erzeugt hätte. So können wir untersuchen, wie die Biene fliegt und sich in der Luft steuert."
Gewissermaßen als Ausgleich für die bei der Flügelschlagfrequenz an den Tag gelegte Hektik lässt es die Biene, an anderer Stelle etwas ruhiger angehen: Dickinson stellte fest, dass die Schlagamplitude, also der Winkel, in dem die Flügel auf und nieder bewegt werden, nur etwa 90 Grad beträgt. Aerodynamisch effizienter ist eigentlich ein weit ausholender Schlag mit großer Amplitude.
Aber nun sollten die Testobjekte ja auch nicht nur im Schwebeflug, also gewissermaßen in der Freizeit, sondern auch bei der Arbeit beobachtet werden. Und dafür gab es eine elegante Lösung:
"Die praktischste Manipulationsmöglichkeit ist, den Stickstoff, der normalerweise 80 Prozent der Atemluft ausmacht, im Versuchsbehälter durch Helium zu ersetzen. So haben die Tiere nach wie vor so viel Sauerstoff, wie sie benötigen. Aber die Luft hat eine viel, viel geringere Dichte. Die Konsequenz davon ist, dass sie nun viel härter arbeiten müssen, um zu fliegen. Es ist ungefähr so, als nähme man eine Honigbiene und setzte sie unmittelbar auf einen sehr hohen Berg. Und es ist auch ungefähr so, als würde man der Biene eine Last anhängen."
Kein Problem für die fleißige Biene: Sondern die Gelegenheit, gewissermaßen den Nachbrenner zu zünden. Einerseits behielten die Tiere die schnelle Schlagfrequenz bei. Und je geringer der Luftwiderstand und je höher dadurch die sozusagen virtuell zu tragende Last, umso stärker vergrößerten die Bienen den Schlagwinkel und damit ihre aerodynamische Leistung.
"Wir haben mehrere verschiedene Theorien dazu, meine Kollegen und ich. Eine ist, dass dieses Verhalten damit zusammenhängt, dass Bienenstaaten eine sehr spezielle Ökologie haben. Bienen müssen beim Fliegen in der Lage sein, sehr schwere Lasten zu tragen, wenn sie Pollen und Nektar zum Stock bringen. So gibt ihnen vielleicht die Tatsache, dass sie beim Schweben ein wenig ineffizient fliegen, und dafür schwer beladen sehr effizient, einen größeren dynamischen Spielraum. Sie können sich sozusagen bei Bedarf in einen Transporthubschrauber verwandeln."
Eine weitere denkbare Möglichkeit ist, dass Bienen und ihre Verwandten im Verlauf der Evolution eine - etwa im Vergleich zu Fliegen - andere Art von Flugmuskeltyp entwickelt haben. Und dieser Muskeltyp funktioniert möglicherweise optimal bei hohen Schlagfrequenzen und sehr hoher Temperatur. Vielleicht hat also auch die Entwicklung des Flugmuskels zu der etwas besonderen aerodynamischen Strategie bei Bienen geführt.