@phdthesis{Endlein2007,
  author    = {Endlein, Thomas},
  title     = {Haftung und Fortbewegung: Kontrollmechanismen von Adh{\"a}sionskr{\"a}ften bei Ameisen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-28985},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2007},
  abstract  = {Nat{\"u}rliche Haftsysteme {\"u}bertreffen technische Kleber in mehreren Aspekten: Sie haften auf nahezu allen Oberfl{\"a}chen, sind selbstreinigend und sind in ihrer Haftst{\"a}rke dynamisch kontrollierbar. F{\"u}r Tiere mit Haftorganen ist deren Kontrolle eine Grundvoraussetzung f{\"u}r effiziente Lokomotion. Wie k{\"o}nnen Tiere gut an Oberfl{\"a}chen haften und gleichzeitig schnell laufen? Wie werden Haftorgane kontrolliert, um auf rauen oder glatten Oberfl{\"a}chen senkrecht oder kopf{\"u}ber zu haften und wieder loszulassen? Die vorliegende Arbeit untersucht am Beispiel vonWeberameisen (Oecophylla smaragdina), welche Kontrollmechanismen Insekten verwenden, um den Konflikt zwischen Haftung und Fortbewegung zu bew{\"a}ltigen. Weberameisen besitzen an ihren F{\"u}ßen zwischen den Krallen ein entfaltbares Haftorgan (Arolium), welches im Vergleich zu anderen Hymenopteren stark vergr{\"o}ßert ist. Ihre enormen Haftkr{\"a}fte (mehr als das 100-fache ihres K{\"o}rpergewichtes) werden haupts{\"a}chlich eingesetzt, um Bl{\"a}tter f{\"u}r ihren Nestbau in den Baumkronen zusammenzuziehen. Sie sind Meister der Haftung und gute L{\"a}ufer zugleich und eigneten sich daher sehr gut als Modellsystem. In der Arbeit wurde dieWechselwirkung von Haftung und Bewegung auf mehreren hierarchischen Ebenen untersucht, vom gesamten K{\"o}rper {\"u}ber die Beine bis zum Haftorgan selbst. Es zeigte sich, dass Kontrollmechanismen auf allen drei Ebenen vorliegen. Im ersten Teil der Arbeit wurde durch Manipulationen an der Krallenziehersehne die komplexe innere Mechanik des Pr{\"a}tarsus aufgekl{\"a}rt. Es zeigte sich, dass die Bewegungen von Tarsus, Krallen und Arolium in einer koordinierten Reihenfolge erfolgten. Durch Amputationen der Krallenspitzen an lebenden Ameisen konnte best{\"a}tigt werden, dass die Entfaltung des Aroliums durch das Verhaken der Krallen auf rauen Oberfl{\"a}chen mechanisch eingeschr{\"a}nkt wird. Der Einsatz des Aroliums war auch abh{\"a}ngig von der Oberfl{\"a}chenorientierung. Weberameisen setzten ihr Haftorgan beim aufrechten Laufen {\"u}berhaupt nicht ein, beim Kopf{\"u}berlaufen auf glatten Oberfl{\"a}chen wurde dagegen nur ein Bruchteil der maximal m{\"o}glichen Haftkontaktfl{\"a}che entfaltet. Die Versuche zeigten, dass Ameisen die Entfaltung des Aroliums entweder aktiv, d. h. durch Kontraktion des Krallenziehermuskels, oder passiv durch Zugbewegungen des Tarsus graduell variieren. Beide Mechanismen werden von den Ameisen verwendet, um die ansonsten klein gehaltene Haftkontaktfl{\"a}che bei Bedarf (z. B. bei Zusatzbeladungen) zu vergr{\"o}ßern. Die passive Entfaltung ist von der neuromuskul{\"a}ren Kontrolle entkoppelt und unterliegt somit nicht den Zeitverz{\"o}gerungen von Reflexreaktionen. Durch pl{\"o}tzliche laterale Verschiebung der Laufoberfl{\"a}che durch einen Stoß konnte eine schlagartige Ausfaltung der Arolien ausgel{\"o}st werden, die wesentlich schneller ablief als alle bekannten Reflexreaktionen. Dies kann als Sicherheitsmechanismus interpretiert werden, womit sich die Ameisen bei starken Ersch{\"u}tterungen der nat{\"u}rlichen Laufsubstrate (Bl{\"a}tter) durchWindst{\"o}ße oder Regentropfen festhalten k{\"o}nnen. Sowohl Kraftmessungen an der Krallenziehersehne, welche die Kontraktion des Krallenziehermuskels nachahmten als auch Reibungskraftmessungen zur passiven Entfaltung des Aroliums zeigten, dassWeberameisen im Vergleich zu einer bodenlebenden Ameise ihre Haftorgane leichter entfalten konnten. Dies erleichtert es ihnen, ihre Haftorgane {\"u}ber lange Zeit im entfalteten Zustand zu halten, wie es beispielsweise beim Nestbau erforderlich ist. Mit Hilfe von dreidimensionalen Kinematikstudien konnte gezeigt werden, dass Weberameisen durch {\"A}nderungen des Beinwinkels zur Oberfl{\"a}che das Sch{\"a}lverhalten der Haftorgane beeinflussen. Ein flacherer Winkel verhinderte das Absch{\"a}len der Haftorgane w{\"a}hrend der Standphase oder beim Tragen von Zusatzlasten; ein steilerer Tarsus hingegen erleichterte das Absch{\"a}len w{\"a}hrend der Abl{\"o}sephase. Dieses Verhalten wurde mit dem Modell eines Klebebandes verglichen. Allerdings ver{\"a}nderten sich die Haftkr{\"a}fte in einem bestimmten Winkelbereich deutlich st{\"a}rker, als die Sch{\"a}ltheorie es vorhersagen w{\"u}rde. Die starken Unterschiede in der Haftkraft an dieser Schwelle sind jedoch biologisch sinnvoll und werden wahrscheinlich von den Ameisen verwendet, um schnell zwischen Haften und L{\"o}sen zu wechseln. Messungen der Bodenreaktionskr{\"a}fte zeigten einen weiteren Abl{\"o}semechanismus: W{\"a}hrend der Abl{\"o}sephase wird durch distales Schieben des Beines das Haftorgan entlastet und so eine passive R{\"u}ckfaltung des Aroliums erlaubt. Beide Abl{\"o}semechanismen (Sch{\"a}len und Entlasten) wurden f{\"u}r einzelne Beinpaare im unterschiedlichen Ausmaß von den Ameisen verwendet. Eine Umorientierung zur Schwerkraftrichtung, z. B. beim Kopf{\"u}berlaufen, hatte auch Einfluss auf das Laufmuster und die Beinstellung relativ zum K{\"o}rperschwerpunkt. Die Ameisen passten beim Kopfx {\"u}berlaufen ihren Gang so an, dass sie mehrere Beine gleichzeitig in Bodenkontakt hielten und langsamere und k{\"u}rzere Schritte machten. Entstandene Drehmomente beim Tragen von Zusatzlasten wurden durch gezielte {\"A}nderungen der Beinpositionen ausgeglichen. Meine Arbeit zeigt, dass Insekten die Oberfl{\"a}chenhaftung auf verschiedenen hierarchischen Ebenen mit Hilfe verschiedener Anpassungen kontrollieren und dabei elegant neuromuskul{\"a}re Steuerungen mit rein passiven Mechanismen vereinigen. Die hier f{\"u}r Weberameisen exemplarisch untersuchten Effekte sind von allgemeiner Bedeutung f{\"u}r alle Tiere, die sich mit Hilfe von Haftorganen fortbewegen. Ein Verst{\"a}ndnis der Mechanismen, mit denen Insekten Haftung dynamisch kontrollieren, k{\"o}nnte wichtige Anregungen f{\"u}r die Entwicklung von kletterf{\"a}higen Laufrobotern liefern.},
  subject      = {Ameisen},
  language  = {de}
}