Insekten sind zu atemberaubenden Flugmanövern fähig: Stubenfliegen etwa landen kopfüber an der Zimmerdecke, Libellen beschleunigen schneller als jeder Düsenjet und Schmetterlinge fliegen Strecken von Tausenden Kilometern.
Da fragt man sich doch: Wie machen die das bloß, schließlich handelt es sich nur um winzige Insekten? Der Insekten-Paläontologe Robin J. Wootton von der britischen Universität von Exeter ist sich sicher, dass das Geheimnis in den Flügeln der Tiere zu suchen ist: „Je mehr wir über die Funktionsweise von Insektenflügeln wissen, desto raffinierter und wunderbarer erscheint uns ihr Design. Bis heute gibt es hierfür keine technischen Entsprechungen.“
In der Tat sind die Flügel der Insekten wahre Meisterwerke des Leichtbaus. Ihre mit einem Aderwerk stabilisierte Flugmembran, die vor allem aus Chitin besteht, ist nur ungefähr 0,1 Millimeter dick, aber dennoch äußerst reißfest. Ein Libellenflügel etwa macht lediglich zwei Prozent des gesamten Körpergewichts des Tieres aus, beschleunigt dieses aber mit atemberaubenden 30 G - das ist immerhin die 30-fache Erdbeschleunigung. Zum Vergleich: Der Eurofighter kommt gerade einmal auf maximale 9 G.
Der amerikanische Raumfahrtingenieur Marvin Luttges hat die Flügel der Libelle, Libellula luctuosa, zu Versuchszwecken mit kleinen Gewichten beschwert und kommt im Laufe seiner Forschungen zu dem Ergebnis, dass sich das Tier mit dreimal mehr Gewicht in die Luft aufschwingen kann, als es die leistungsfähigsten von Menschen erfundenen Luftfahrzeuge vermögen.
Dabei fallen Libellen eigentlich mit ihren vier Flügeln ein wenig aus dem Rahmen, denn sie können das vordere und hintere Flügelpaar unabhängig voneinander steuern. So sind nicht nur außergewöhnlich akrobatische Flugmanöver möglich, wie etwa das Rückwärtsfliegen, sondern auch wissenschaftlich nachweisbare Geschwindigkeiten von über 50 Kilometer in der Stunde. Derartigen Speed erreichen Libellen durchaus schon mit ungefähr 30 Flügelschlägen pro Sekunde.
Zum Vergleich: Käfer kommen mit deutlich schnelleren Schlagfrequenzen auf gerade einmal acht Stundenkilometer. Das liegt zum einen an der Form ihrer Flügel. Bei Käfern ist das vordere Flügelpaar nämlich zu einer Art Schutzdeckel für das hintere Flügelpaar verhärtet, mit dem allein sich die Tiere in die Luft aufschwingen. Sie können die vorderen Flügel zwar als Tragflächen nutzen, aber aerodynamisch perfekt sind sie mit ihrer bauchigen Form eher weniger.
Was die Libellen, aber auch viele andere hervorragende Flieger unter den Insekten, auszeichnet, sind vor allem ihre Flugmuskeln und die Art und Weise, wie sie die Flügel antreiben. Libellen haben enorme Muskelpakete, die die Flügelpaare einzeln und direkt steuern - das ist aber bei den Insekten auch eher eine Ausnahme.
In der Regel werden die Flügel indirekt sowie gekoppelt bewegt und zwar durch Muskeln, die im Brustraum der Tiere vom Rücken zum Bauch verlaufen. Durch das Anspannen und wieder Entspannen dieser Muskeln, verformt sich der gesamte Brustkorb der Insekten - die Flügel, bewegen sich dabei nur mit - quasi als eine Art Nebeneffekt.
So seltsam es sich auch anhören mag, diese Art des Antriebs ist überaus leistungsfähig: Forcipomyia-Mücken schaffen so unglaubliche eintausend Flügelschläge in der Sekunde und mehr. Im Gegensatz zu den Libellen fliegen die Mücken nur mit zwei Flügeln, das hintere Flügelpaar hat sich evolutionär zu sogenannten Schwingkolben (Halteren) umgebildet, die man normalerweise aber gar nicht sieht. Wichtig sind sie dennoch, werden sie doch für die Steuerung benötigt. Im Laufe der Evolution konnte sich lediglich die Sechsflügeligkeit nicht durchsetzen, obwohl erste Ansätze schon vor etwa dreihundert bis dreihundertsechzig Millionen Jahren, bei den Palaeodictyopteren vorhanden waren.
Das bisher älteste gefundene geflügelte Insekt (Delitzschala bitterfeldensis) ist 324 Millionen Jahre alt und somit ganze 100 Millionen Jahre älter, als der älteste bekannte Flugsaurier - die Vögel kamen erst sehr viel später. Auffallend dabei ist, dass die Saurier sowie auch die Vögel ihre Flügel aus ihren Gliedmaßen entwickelten, während Insekten ihre Flügel Auswüchsen des Skeletts verdanken. Die Theorie, wonach sich die Insektenflügel aus Beinanhängen bildeten, ist heute von vielen Wissenschaftlern verworfen worden.
So oder so: Auf jeden Fall genügt es nicht, die Flügel - so viele es denn auch sein mögen - einfach irgendwie auf und ab zu bewegen. Um die Abläufe beim Flug besser studieren zu können, haben die Biologen Michael Dickinson und James Birch von der Universität Kalifornien in den USA die Flügel der Fruchtfliege Drosophila vergrößert im Labor nachgebaut und diese dann in ein Ölbad eingetaucht. Erstmals war es so möglich, die auftretenden Kräfte vernünftig messen zu können.
Die Drehung der Flügel bringt den entscheidenden Auftrieb
Dickinson und Birch haben so herausgefunden, dass vor allem die Drehung der Flügel um die Längsachse entscheidenden Auftrieb bringt. Michael Dickinson: „Das Ganze funktioniert wie ein Tennisball, der mit Topspin angeschnitten wird. Er dreht sich um die eigene Achse und zieht so die Luft schneller über seine Oberseite als über die Unterseite. So wird oben ein Unterdruck erzeugt, der den Ball nach oben saugt. Genau das Gleiche passiert auch beim Insektenflügel. Durch die Drehung wird er hoch gesaugt.“
Damit aber nicht genug, die gleichen Luftwirbel können noch ein zweites Mal genutzt werden, sagt Dickinson, und zwar bei jeder Änderung der Schlagrichtung von vorn nach hinten und umgekehrt: „So verstärkt sich die Wirkung der Flügelschläge der Insekten um das Doppelte.“ Auf diese Art und Weise können enorme Anstellwinkel erreicht werden, die jedes Flugzeug zum Abstürzen bringen würden. Dabei können die Flügel in Form einer Acht bewegt werden, so dass die Tiere im wahrsten Sinne des Wortes durch die Luft rudern. Die Evolution hat sich also so einiges einfallen lassen, um aus den kleinen Insekten wahrlich große Flugkünstler zu machen.