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form+zweck 17

Morphologie / Neobiologie

 

 

Werner Nachtigall

Biologisches Design

 

Die Bionik ist der Versuch, Natur im konstruktiven Bereich für

menschliche Zwecke nutzbar zu machen.

Werner Nachtigall ist Professor am Fachbereich Biologie der Universität des Saarlandes, Mitbegründer der Gesellschaft für Technische Biologie und Bionik ebendort und ein engagierter Propagandist der Bionik.

Einführendes
Liegen Biologie und Technik wirklich so weit auseinander, wie man immer hört? Ich glaube nicht. Der Begriff »Design« zum Beispiel kann eine Klammer bilden.
Es gibt mehrere solcher Klammern, die Fachgrenzen fließend machen und eine Integration der Sichtweisen ermöglichen - heute wichtiger denn je.
Aber bleiben wir, pars pro toto, beim Designbegriff.
Ich formuliere 10 Thesen und belege sie durch je ein illustriertes Beispiel.

1. Der Designbegriff kann in der Biologie dem technischen Designbegriff analog gesetzt werden
Design befaßt sich mit Planungsentwurf und Gestaltung eines Produkts, bei dem sowohl praktische und ästhetische Aspekte eine Rolle spielen.
Für Produkte der Biologie ist zwar kein Formgestalter erkennbar; dennoch entspricht die durch Evolution (Stammesentwicklung) und Ontogenese (Individualentwicklung) geprägte Form von Tieren und Pflanzen durchaus dem zitierten Designbegriff. Man kann deshalb auch von biologischem Design sprechen und diesen Begriff dem technischen Desigbegriff analog setzen. Eine Ausnahme stellt der ästhetische Aspekt dar. Die Biologie kann Aussagen treffen über naturwissenschaftliche Begriffe wie Form und Funktion, nicht aber über nicht-naturwissenschaftliche wie Ästhetik.
Somit läßt sich für die Biologie vielleicht die folgende Definition geben: Biologisches Design bedeutet organismische Formgestaltung im Kräftefeld unterschiedlicher funktioneller Anforderungen in Phylo- und Ontogenese.
Wichtig ist, daß alle Bildungsprozesse, die organismische Formen prägen, von funktionellen Anforderungen mitbeeinflußt werden und daß diese Anforderungen sehr unterschiedlich und oft entgegengesetzt und widersprüchlich sind. Deshalb wird eine biologische Form stets ein »Kompromißdesign« darstellen, das sich luxurierenden Selbstzweck (»Selbstdarstellung«) nicht leisten kann. Freilich empfindet der Mensch biologisches Design häufig als »schön«. Diese ästhetische Qualität entsteht aber im Betrachter als Sekundärfolge des Erkenntnisprozesses. Sie kann nicht der betreffenden Form als Erklärungsparameter übergestülpt werden. Den Versuch einer Formdeutung (»Erklärung«) durch Zuordnung zu erkennbaren funktionellen Anforderungen kann die Naturwissenschaft jedoch machen. Daraus lassen sich dann auch Querbeziehungen zwischen der Welt der Technik und der Welt der belebten Formen herstellen. Welcher Art sind diese?

2. Technische Biologie und Bionik ergänzen sich wie Bild und Spiegelbild
»Technische Biologie« versucht, Konstruktionen und Verfahrensweisen der belebten Welt durch Einbringen physikalisch-technischen Wissens besser zu verstehen und zu beschreiben. »Bionik« basiert auf den Erkenntnissen der Technischen Biologie. Sie versucht, diese als Anregung zu nehmen für eigenständig-technisches Weitergestalten.1 Dies muß stets lege artis geschehen, nach den anerkannten Verfahrensweisen der Ingenieurwissenschaften. Reine Naturkopie wäre unwissenschaftliche Scharlatanerie.

Fallbeispiel: Schlangenhaut und Langlaufski-Belag
Die Bauchschuppen der südamerikanischen Schlangengattung Leimadorphys (deren Vertreter auf sehr lockerem Regenwaldboden durch peristaltisches Vor- und Zurückziehen ihrer schuppenbesetzten Haut kriechen) tragen eine eigentümlich parabolische, einseitig gerichtete Schuppenstruktur. Durch Anwendung technisch-physikalischen Basiswissens (Technische Biologie) über Reibungseffekte kann man der Morphologie dieser Schuppen eine Funktion zuordnen und die Schuppenstruktur damit »erklären«: Die Schuppen sind »richtungsabhängige Reibungsgeneratoren«. Die Schlange gleitet mit diesen Schuppen gut vorwärts, rutscht aber nicht zurück. Die Umsetzung dieses Prinzips in die Technik (Bionik) hat zu einem analog strukturierten, technisch jedoch leicht fertigbaren Langlaufski-Belag geführt. Dieser beeinträchtigt zwar nicht das Vorwärtsgleiten, erspart aber dem geplagten Skilangläufer das lästige Zurückrutschen am ansteigenden Hang.

3. Der Organismus bildet ein funktionelles Ganzes
Form und Funktion sind in einem Organismus stets untrennbar verkoppelt. Das eine bedingt das andere. Man kann oft nicht sagen, was bei der Formgebung die treibende Kraft war, ob sich die Form also als Antwort auf funktionelle Anforderungen ausgebildet hat oder ob der Organismus damit begonnen hat, eine in Ansätzen vorgegebene Form im Hinblick auf eine passende Funktion zu nutzen.

Fallbeispiel: Kugelassel
Die Kugelassel Armadillidium vulgare sieht aus wie eine ganz normale Kellerassel, wenn sie kriecht. Bei Gefahr kann sie sich jedoch zu einem unangreifbaren erbsengroßen Kügelchen zusammenrollen. Die Passung ist dabei so detailliert und fein, daß selbst Fortsätze des Hinterleibs und Fühler ihren vorgesehenen Platz finden. Auf diese Weise wird das Tierchen völlig unangreifbar; einem zupackenden Feind entrollt es immer wieder. Beim normalen Laufen dagegen haben die Einzelteile, die sich beim Abrollen zur Panzerkügelchen-Form zusammenfinden, ganz unterschiedliche, »normale« Aufgaben. Auch die Kopfregion der Termite Paracryptocercus hat eine besondere Funktion. Die »Soldaten« dieser Art verschließen mit ihr von innen den Baueingang.

4. Biologische Konstruktionen folgen dem Prinzip der höchst integrativen Bauweise
Im Gegensatz zur Technik konstruiert die Biologie kaum mit Einzelteilen, die getrennt gefertigt und dann sekundär verbunden werden. Sehr häufig, ja fast regelmäßig, bilden sich die Formbestandteile schon in gegenseitiger An- und Einpassung aus und verschmelzen schließlich zu einem integrativen Ganzen. Ungemein interessante Beispiele finden sich in der Insektenwelt, und da wieder ganz besonders bei der Ordnung der Wanzen.2

Fallbeispiel: Speichelpumpe von Dolycoris
Wanzen stechen Beutetiere an und spritzen ein Sekret in die Wunde, daß ein Koagulieren der aufgesogenen Beuteflüssigkeit und damit ein Verstopfen des engen Saugkanals verhindert. Dafür benutzen sie eine winzige, (1⁄10 mm!) aber hoch effiziente Speichelpumpe. Hierfür sind alle »technisch nötigen« funktionellen Elemente wie Kolben, Zylinder, Ventile3 vorhanden . Sie sind aber nicht genau gegeneinander abgrenzbar. Die Pumpe bildet in höchstintegrativer Bauweise ein funktionelles Ganzes.

5. Der Organismus kompensiert schädliche Lastfälle
Innere und äußere Kräfte wirken auf jeden Organismus. Manche Kräfte sind »erwünscht« und werden dementsprechend benutzt. Andere Kräfte sind »unerwünscht«. Sie können beispielsweise die Trageeigenschaften des Organismus überbeanspruchen. Wenn der Organismus die Kräfte schon nicht los wird, so versucht er zumindest doch ihre negativen Auswirkungen zu kompensieren.

Fallbeispiel: Spannungsreduktion im Stamm eines Baums durch kompensatorisches Wachstum nach Wipfelbruch
Angenommen, ein Baum verliert durch Blitzschlag die gesamte Krone, und nur ein unterer, massiver Seitenast bleibt übrig. Dessen Eigengewicht G induziert nun über seinen Schwerpunktsabstand l ein hohes Biegemoment Mb = G . l im Stamm. Dieses kann nicht durch Gegenmomente kompensiert werden (so wie das vor dem Blitzschlag der Fall war), sondern beansprucht den Stamm nun beachtlich. Der Baum reguliert durch Anlagerung von Zugholz (Nadelbaum) oder Druckholz (Laubbaum) und läßt den Ast im Laufe der Jahre bogig über den Reststamm wachsen. Wenn sein Schwerpunkt genau über dem Stamm liegt, ist der Abstand l und damit das Biegemoment Mb gleich Null geworden; die gefährliche exzentrische Beanspruchung ist damit vollständig ausgeregelt.

6. Die Absolutgröße eines Organismus bestimmt dessen statisches Design
Es ist für die äußere Formgebung eines Organismus und - noch viel bedeutsamer - für seine innere Ausformung (etwa des tragenden Skeletts) keineswegs gleichgültig, wie groß er ist. Große Tiere haben es, statisch betrachtet, schwerer als kleine. Ihr Tragegerüst muß massenmäßig ungleich stärker zunehmen als ihre Länge. Damit verplumpt das Skelett, und bei ganz besonders großen Tieren beeinflußt das in auffallender Weise bereits die äußere Form und damit auch den Gestalteindruck, den der betrachtende Mensch hat. Tiere, die deutlich größer sind als die größten bekannten Dinosaurier, könnten unter den Schwerkraftbedingungen dieser Erde nicht existieren. Trotz eines riesenhaft-plumpen Skeletts würden sie bereits unter dem Eigengewicht des Gesamtsystems zusammenbrechen.

Fallbeispiel: Skelettproportionen
In einem Klassiker der biologischen Literatur4, erstmals publiziert im Jahre 1919, findet sich die Zeichnung eines Nilpferds und eines Lemmings in gleicher Größe. Man erkennt auf den ersten Blick, daß das Nilpferdskelett viel plumper gebaut ist als das Lemmingsskelett. Das kommt daher, daß der Durchmesser D eines Knochenelements nicht mit der Körperlänge L (oder der Knochenlänge selber) zunimmt (D ~ L), sondern nach der Beziehung D ~ L1,50. Mit zahlreichen Messungen hat man diese Gesetzmäßigkeit bestätigt. Innerhalb der Antilopenfamilie beträgt der experimentell bestimmte Exponent für den Oberarmknochen 1,52.5

7. Der Organismus tritt mit der unbelebten Umwelt in Kontakt
Die Umwelt prägt das organismische Design auf das Entscheidendste. Dies geschieht bekanntlich nicht auf direkte Weise. Es ist nicht so, daß umweltbedingt erworbene Eigenschaften eines Organismus vererbt werden (»Lamarkismus«). Die Evolution spielt vielmehr mit breiten Paletten kleiner, ungezielter Änderungen (Mutationen), so daß bei Änderungen der Umwelteigenschaften in einer Population stets Individuen vorhanden sind, die, vorab schon, auf die betreffende Änderung besonders gut eingestellt erscheinen. Diese haben dann größere Überlebens- und Fortpflanzungs-chancen (Selektion). Auf diese Weise füllen sich »ökologische Nischen«.
Ökologische Nischen sind stets auch physikalische. Auch die Lebensbedingungen sind von physikalischen Gesetzen bestimmt. Man hat dann den Eindruck, als ob die biologische Formgebung »physikalische Nischen« nutzt: die jeweils physikalisch günstigste Form setzt sich durch.

Fallbeispiel: Flügelformen bei Insekten
Es wurde oben angeführt, daß kleinere Tiere ganz anderen statischen Bedingungen unterworfen sind als große. In gleicher Weise kann man sagen, daß die Luft kleinen, langsamer bewegten Flugtieren ganz andere Zähigkeitsbedingungen bietet als großen. Je kleiner ein Flugtier ist und je langsamer es fliegt, desto zäher erscheint ihm die Luft. Die kleinsten Insekten schließlich rudern in der Luft herum wie Wasserflöhe im (vielfach zäheren) Wasser.
Auf die Umwelteigenschaften der Luft stellt sich die Flügelform ein. Man spricht von einer Reynoldszahl-Abhängigkeit der biologischen Form. In die Reynoldszahl Re gehen Körperlänge l und Fluggeschwindigkeit v des betrachteten Tieres ein, sowie eine Kenngröße der Luft, ihre kinematische Zähigkeit v. Die Beziehung lautet: Re = vl/v. Kleinere Reynoldszahlen kennzeichnen im vorliegenden Fall also kleinere, langsamer fliegende Tiere.6
Bei großen Re-Zahlen sind profilierte und gewölbte Flügel physikalisch günstiger (Vogelflügel). Bei mittleren Re-Zahlen sind nur leicht gewölbte oder flache, dünne Platten vorteilhafter: Libellen- und Fliegenflügel. Bei den allerkleinsten Insekten, nur millimeterlangen Hautflüglern, Käfern und Thripsen mit Flügellängen, die lediglich nach Zehntelmillimetern zählen, nutzen beide Flügeltypen nichts mehr. Hier sind Bor-
stenflügel das Mittel der Wahl.
Auf die Randbedingungen, die eine »physikalische Nische« (im vorliegenden Fall ein bestimmter Reynoldszahlbereich) für das Flügeldesign setzt, stellt sich die Natur tatsächlich präzise ein.

8. Eine Form muß stets Mehrfachansprüche abdecken
Oben wurde Biologisches Design als organismische Formgestaltung definiert, die sich im Kräftefeld unterschiedlicher funktioneller Anforderungen einstellt. Es gibt stets viele Anforderungen, die unterschiedlicher Art sind und die auf positive wie negative Weise zusammenspielen können. Oft sind sie tatsächlich entgegengesetzt gerichtet. So sollte ein Stachelschwein-Stachel als Wehrapparat lang sein und zugleich knickfest. Wehrhafter ist ein langer Stachel, knickfester dagegen ein kurzer. Irgendwo wird sich ein Kompromiß einstellen, der sich in der endgültigen Ausformung des Gebildes niederschlägt. Jedes biologische Design ist letztlich eine Kompromißform im Kräftefeld dutzender solcher Randbedingungen.

Fallbeispiel: Eischale der Schmeissfliege
Die Eischalen von Fliegeneiern müssen leicht sein, damit mit einem gegebenen Materialaufwand möglichst viele Eier produziert werden können. Sie sollen zudem elastisch sein und damit leichte Verformungen ertragen. Weiter müssen sie, wie jedes lebende Gewebe, Gasaustausch ermöglichen, nämlich den Sauerstoff der Außenluft und das im Inneren produzierte Kohlendioxid durchgehen lassen. Und schließlich müssen sie unbedingt undurchlässig sein gegen tropfendes Wasser; einen Wasserdampfaustausch dagegen müssen sie ermöglichen. Man kann zahleiche weitere Anforderungen an die Eischale einer Fliege formulieren.
Im Kräftefeld dieser unterschiedlichen und teils gegenläufigen Anforderungen (Leichtbau - Stabilität; Gasdurchtritt - Wasserdichtigkeit etc.) hat die Evolution die Eischale als filigranes Ständerwerk aus Chitinsubstanz geformt mit basalen Vielfachpfeilern und einem äußeren Gitterwerk, das durch Randwinkeleffekte Wassertröpfchen abhält. Ähnlich komplex verbindet der Stachel des Stachelschweins Leichtigkeit und Stabilität. Der Stachel ist eine schaumgefülltes Mehrkomponentensystem.

9. Der Organismus tritt mit anderen Organismen in Kontakt
Hier trifft nun Design auf Design, und es kommt darauf an, daß die konstruktiven Ausgestaltungen funktionell perfekt zusammenspielen, auch wenn der Kontakt nur selten, manchmal gar nur einmal im Leben zweier Organismen zustandekommt. Paradebeispiele finden sich im Bereich der Kopulationsorgane oder solcher Organe, die im weiteren Bereich des Kopulationsverhaltens eine Rolle spielen. Dem letzteren Bereich ist das Fallbeispiel entnommen.

Fallbeispiel: Unterbindung der Beissklauen-Bewegung bei der Kopulation von Spinnen
Spinnenmännchen sind bei der Kopulation sehr gefährdet. Sie werden von den - meist deutlich größeren - Weibchen häufig zunächst einmal als Beuteobjekte betrachtet und mit den massigen Beißklauen (Cheliceren) angegriffen. In solchen Fällen müssen die Männchen den gefährlichen Beißwerkzeugen der Weibchen solange entgehen, bis sie die Kopulationspartnerin durch spezielle Verhaltensformen gefügig gemacht haben. Eine besonders gute Schutzmöglichkeit liegt in der Immobilisierung der Beißklauen des Weibchens.
Die Männchen der Art Pachygnatha cleckii verfügen über ein hochspezielles Design ihrer eigenen Beißklauen, die auf diejenigen des Weibchens in geometrisch feinster Formgestaltung abgestimmt sind. Sie tragen feine Zapfen an den Basisgliedern und stark verlängerte, klappbare Endglieder. Bei der Annäherung ergreift das Männchen »beherzt« die Weibchenklauen, läßt sie zwischen den Zapfen der eigenen Cheliceren einrasten und immobilisiert das gefährliche Endglied, indem es das Endglied der eigenen Klauen taschenmesserartig darüberschnappen läßt.
Es gibt eine ungeheuere Vielzahl aufs feinste abgestimmter Kupplungsmechanismen im Tierreich.7

10. Der Organismus lebt in einem Energiedilemma. Er muß überall Energie sparen
Man kann sagen: Wenn ein Organismus nicht peinlich sorgfältig mit seiner verfügbaren Energie umgeht, ist er nicht lebens- und überlebensfähig. Die zur Verfügung stehende Energie ist begrenzt. Man kann auch sagen: Die aufbringbare Leistung (Energie pro Zeiteinheit, gemessen in Joule pro Sekunde = Watt) ist begrenzt. Muß ein Vogelweibchen an einem Frühlingstag eine große Leistung für die zur Nahrungsgewinnung nötigen Flugvorgänge aufwenden (vielleicht deshalb, weil die Flügel nicht strömungsoptimal gestaltet sind), so steht ihm in dieser Zeit weniger Energie zur Synthese seiner Eier zur Verfügung, und das muß fortpflanzungsbiologisch negativ zu Buche schlagen.
Alle Lebensvorgänge sind energetisch bis aufs äußerste optimiert. (Von der Naturstrategie, bei jedem Lebensvorgang soviel Energie zu sparen wie irgend möglich, könnten sich die Zivilisationen des Menschen eine Scheibe abschneiden.) Und damit laufen letztendlich auch all die bisher diskutierten formgestaltenden Anpassungen in der Summe auf eine gute Energiebilanz hinaus.
Auch und gerade »Biologisches Design« ist somit dem Naturprinzip eines »haushälterischen Umgangs mit der Energie« untergeordnet.

Fallbeispiel: Ideale Formgebung spart Bewegungsenergie
Warum sind eigentlich Pferde und andere rasch laufende Säuger wie etwa Gazellen in der Hüftregion so massig, in der Gestaltung der Beine dagegen so ungemein zart, daß man manchmal den Eindruck hat, das Bein bestünde nur aus »Haut und Knochen«?
Die allermeisten Bewegungsmuskeln sitzen weit oben, nahe dem Drehpunkt, und verlagern die nötigen Angriffspunkte für ihre Zugkräfte über ungemein lange Sehnen nach unten.
Je massiger ein Bein ist, desto mehr Energie muß bei jedem Schritt aufgewendet werden, wenn es aus der jeweiligen Ruhelage neu beschleunigt wird. Ein Korrelat zu dieser Energieausgabe ist das Massenträgheitsmoment des Beins. (Man berechnet es als Summe aller Produkte aus Masseneinheiten Mi und den Quadraten ihrer Drehabstände ri2 bezogen auf die Drehachse). Wären die Muskeln über das ganze Bein verteilt, so wäre auch das Massenträgheitsmoment groß, weil die Werte für ri2 sehr groß sind. So aber ist das Trägheitsmoment klein, weil die Muskelanordnung nahe der Drehachse die Werte für ri2 gering hält. Entsprechend sinkt die Beschleunigungsleistung und damit die für Ortsbewegung nötige Leistung. Somit steht in der Zeiteinheit mehr Energie für andere Lebensprozesse zur Verfügung.
Das für diese Taktik unabdingbar nötige Konstruktionselement, die langgezogene und zugleich leichte und reißfeste Sehne nämlich, hat die Natur vorzüglich entwickelt. Bei der Ausgestaltung des Laufbeins wird das Sehnenprinzip denn auch weidlich eingesetzt.
Damit ergibt sich ein weiterer Vorteil: Man kann in gedehnten Sehnen viel Energie speichern. So wird ein Gutteil der zum Verzögern eines schwingenden Beins eingesetzten Energie in Sehnen gespeichert und steht somit für die unmittelbar darauffolgende Beschleunigungsphase wieder zur Verfügung. Auch dieser Trick spart Antriebsleistung.

Abschließendes
Es wurde versucht, durch die Formulierung von zehn Thesen und ihre Belegung mit Fallbeispielen die Bedeutung und die Aussagegrenzen in der Anwendung des Designbegriffs auf biologische Formen herauszuarbeiten.
Der Designbegriff kann auf Analogien zur technischen Welt hinweisen. Er mag die technischen, künstlerischen und kunsthandwerklichen Disziplinen (die mit diesem Begriff gut umgehen können) dazu verführen, über den Zaun des eigenen Sachgebiets zu blicken.
So lassen sich Gemeinsamkeiten entdecken. Schließlich kann man aus dem Formenkanon der Natur noch ungemein viel lernen - auch und gerade für die Praxis der Formgestaltung.
Niemand wird dabei die Natur sklavisch kopieren wollen. Anregungen, die im recht verstandenen Sinn der Bionik in die Technik des Menschen hineinwirken können, hält die Natur allerdings myriadenfach bereit. Sie könnten mit dazu beitragen, daß sich die Technik des Menschen letztlich in eine Technik für den Menschen wandelt.
Die Beschäftigung mit den »Konstruktionen des Lebens« und mit der »Phantasie der Schöpfung« kann aber auch ganz allgemein bedeutsam sein im Sinne eines bionischen Kreativitätstrainings. Und sie kann schließlich hineinmünden in eine Geisteshaltung, die das Leben stets mitbetrachtet und die die innere Einstellung des gestaltenden Menschen zu allen Umweltdingen, lebenden oder nicht belebten, entscheidend zu prägen vermag. •


1 Werner Nachtigall »Technische Biologie und Bionik - Bild und Spiegelbild einer fachübergreifenden Sichtweise.« Rundschreiben der Gesellschaft für technische Biologie und Bionik Nr.1, Saarbrücken 1990.
2 H. G. Kallenborn/ A. Wisser/ W. Nachtigall 3-D SEM-Atlas of Insect Morphology. Vol.1, Heteroptera, Mainz 1990.
3 E. J. Popham On the salivary pump of Dysdercus Intermedius Dist. (Hemiptera, Heteroptera) and other bugs. P.139, 489ff. London 1962.
4 R. Hesse/ F. Doflein Tierbau und Tierleben. Band I, Leipzig und Berlin 1919
5 T. A. Mac Mahon »Allometry and Biomechanics: limb bones in adult ungulates«. The American Naturalist 109, no.969, 1975. PP. 547-563.
6 W. Nachtigall »Zur Bedeutung der Reynoldszahl und der damit zusammenhängenden strömungsmechanischen Phänomene in der Schwimmphysiologie und Flugbiophysik.« In: Fortschritte der Zoologie 24 (H.2/3), 13-56, Stuttgart/ Jena/ New York 1977
7 Werner Nachtigall Biological Mechanisms of Attachment, Berlin 1974