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Insektenantennen als hochempfindliche Rauchgasdetektoren

24.03.1999 - (idw) Justus-Liebig-Universität Gießen


Der Schwarze Kiefernprachtkäfer Melanophila acuminata. Die beiden roten Pfeile zeigen auf die Lokalisierung von Geruchssinn (Antenne) und von Infrarotsinn (Thorakalrezeptoren). Sperrfrist: 24. März 1999, 20.00 Uhr (bitte unbedingt beachten!)
Nature-Artikel von Gießener Phytopathologen erscheint am 25. März 1999

Wie schaffen es manche Insekten, bereits auf große Entfernungen Waldbrände aufzuspüren? Und wie läßt sich diese außergewöhnliche Fähigkeit auch zum Nutzen der Menschen einsetzen? Diese Frage untersuchen die Gießener Phytopathologen Dr. Stefan Schütz, Dr. Bernhard Weißbecker und Prof. Dr. Hans E. Hummel gemeinsam mit Wissenschaftlern der Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn (Dr. Helmut Schmitz und Prof. Dr. Horst Bleckmann, Institut für Zoologie) und der Landesforstanstalt Eberswalde (Dr. Karl-Heinz Apel, Abteilung Waldschutz). Unter dem Titel "Insect antenna as a smoke detector" ("Insektenantennen als Rauchgasdetektoren") werden die Ergebnisse dieser Zusammenarbeit in der nächsten Ausgabe des Wissenschaftmagazins "Nature" am 25. März 1999 veröffentlicht.

Die meisten Insekten ergreifen, wie alle anderen Tiere auch, die Flucht, wenn sie in ihrer Umgebung ein größeres Feuer bemerken. Eine kleine Gruppe von Insekten ist jedoch "pyrophil", und "liebt" das Feuer. Solche pyrophilen Insekten fliegen geradezu auf Brände zu, da sie die Bäume, die durch Brandschäden geschwächt werden, für ihre Eiablage benötigen. Denn in der Bastschicht zwischen Rinde und Stamm der durch die hohen Temperaturen frisch abgetöteten Bäume können sich die Käferlarven ungestört von den Abwehrmechanismen eines lebenden Baumes, wie beispielsweise Harzfluß, entwickeln. Aufgrund ihres Entwicklungsvorsprungs haben die Larven dann außerdem einen Vorteil gegenüber Konkurrenten.

Die Nutzung dieser besonderen "ökologischen Nische" erfordert allerdings spezielle Fähigkeiten dieser Insekten, die sich in Laufe der Evolution perfektioniert haben. Für den Schwarzen Kiefernprachtkäfer (Melanophila acuminata) hängt das Überleben seiner Nachkommen von seinem Erfolg beim Auffinden von Waldbränden ab. Deshalb ist bei diesem Käfer neben einem speziellen Infrarot-Sinn auch noch ein hochspezialisierter Geruchssinn für Brandgeruch ausgebildet. Nach den Messungen und Abschätzungen der Wissenschaftler reicht die Empfindlichkeit des Geruchssinns aus, um einen einzigen angekohlten Baum auf über einen Kilometer Entfernung zu bemerken. Dies deckt sich mit Beobachtungen, daß pyrophile Käfer große Waldbrände bereits aus mehreren Dutzend Kilometern Entfernung anfliegen. Zusätzlich zu dieser hohen Empfindlichkeit für Brandgeruch besteht für die Käfer die Möglichkeit, aus der Zusammensetzung des Brandgeruchs sogar auf die Art des brennenden Baumes und damit dessen Tauglichkeit als Brutstätte zu schließen. Andere Insekten, die nicht pyrophil sind, sondern vor einem nahenden Feuer fliehen müssen, haben einen wesentlich schwächer ausgeprägten und differenzierten Sinn für Brandgeruch.

Die Entwicklungen der Natur können Menschen in zweierlei Hinsicht bei der Lösung eigener Probleme helfen: Zum einen kann das Verständnis des Wechselspiels von Infrarot- und Geruchssinn der pyrophilen Käfer dazu beitragen, bessere und sicherere (Wald-)Brand-Frühwarnsysteme zu konstruieren, indem man konventionelle Infrarot- und Gassensoren auf eine "insektenartige" Weise miteinander koppelt. Zum Zweiten kann der Geruchssinn dieser Käfer direkt in Biosensoren für Brandgeruch eingesetzt werden. Um die feinen "Nasen" der Käfer für derartige Zwecke zu nutzen, haben sich Forscher der Universität Gießen, der Universität Rostock und des Forschungszentrums Jülich in einem vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) geförderten Projekt zusammengetan. Die in dem Projekt "Biosensoren auf der Basis intakter Chemorezeptoren" gebündelten Arbeiten haben die direkte Kopplung von Insektenantennen an elektronische Mikrochips zum Ziel. Feldeffekttransistoren (FET) fangen die durch spezielle Duftstoffe - zum Beispiel Brandgeruch - ausgelösten Signale aus der Käferantenne auf und leiten sie an eine Verstärkerelektronik weiter. In ersten Laborversuchen war das Meßprinzip bereits erfolgreich. Die Entdeckung so extremer Spezialisten für Brandgeruch, wie es die Schwarzen Kiefernprachtkäfer sind, eröffnen einem solchen Brand-Biosensor neue Perspektiven. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Käfer könnten Brände nicht nur sehr früh entdeckt werden. Wegen des hohen Differenzierungsvermögens von verschiedenen Brandgeruch-Komponenten können außerdem auch Informationen über die Art des brennenden Materials und die mögliche Brandursache gewonnen werden.

Kontaktadressen:

Dr. Stefan Schütz
Institut für Phytopathologie und Angewandte Zoologie der Justus-Liebig-Universität Gießen
Biologischer und Biotechnischer Pflanzenschutz
Ludwigstr. 21b
D-35390 Gießen
Tel.: 0641/99 37602; Fax: 0641/99 37609;
e-mail: stefan.schuetz@agrar.uni-giessen.de

Dr. Helmut Schmitz
Institut für Zoologie der Universität Bonn
Poppelsdorfer Schloß
D-53115 Bonn
Tel.: 0228/73 5461; Fax: 0228/73 5458;

Dr. Karl-Heinz Apel
Landesforstanstalt Eberswalde, Abt. Waldschutz
Alfred-Möller Straße
D-16225 Eberswalde
Tel.: 03334/65 505; Fax: 03334/65 117;
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