Die Techniken des Farbwechsels von Tieren und ihre bionischen Anwendungsfelder

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Begriffsdefinitionen
2.1. Tarnung
2.2. Interferenzfarben

3. Das Chamäleon
3.1. Wissenschaftliche Erklärung
3.2. Bionische Anwendungsfelder

4. Der Herkuleskäfer
4.1. Wissenschaftliche Erklärung
4.2. Bionische Anwendungsfelder

5. Der Schmetterling
5.1. Wissenschaftliche Erklärung
5.2. Bionische Anwendungsfelder

6. Cephalopoden
6.1. Wissenschaftliche Erklärung
6.2. Bionische Anwendungsfelder

7. Adaptive camouflage

8. Schlussbetrachtung

Literaturverzeichnis

A. Schriften:

B. Internetquellen:

„Die Evolution favorisiert den Schwindler. Bei jeder Art hat immer das Individuum die groRten Uberlebenschancen, das rivalisierende Artgenossen, Fressfeinde und Beutetiere am besten zu tauschen vermag"

Mary Batten, Autorin¹

1. Einleitung

Farben in der Natur sind vielfältig und erstrahlen in den verschiedensten Tönen in jeder vorstellbaren Mischform. Die Krönung der Evolution in dieser Farbenvielfalt stellt die Fähigkeit dar, die Farbe wechseln zu können. Die Gründe warum die Natur die Befähigungen entwickelt hat, sind genauso vielseitig wie der Umfang den die Tierarten bieten. Für einige gehört es zum Paarungsritual, um dem möglichen Geschlechtspartner zu imponieren. Für andere ist es eine absolute Notwendigkeit, um sich zu tarnen und sich den Angriffen körperlich überlegener Feinde zu entziehen.

Genauso unterscheiden sich auch die Methoden, welche die Natur für den Farbwechsel ausgeprägt hat. Farbpigmente sind nicht die einzigen verfügbaren Mittel, um die leuchtenden Farben zu erzeugen, wie sie in der Natur zu finden sind. Es sind noch nicht alle Methoden erforscht und viele Geheimnisse sind noch in den Oberflächen der Lebewesen versteckt, die es aufzudecken gilt.

Die Motivation der Bionik-Wissenschaftler liegt in der Übertragung dieser Prinzipien auf unsere Technologien. Dabei müssen sie berücksichtigen, dass sich Lebewesen nicht nachbauen lassen, da es grundsätzliche Unterschiede zu technischen Geräten gibt. Die Forscher nutzen die gewonnenen Erkenntnisse, um einen eigenen technischen Zweck effizienter zu machen oder überhaupt erst zu erreichen. Diese Hausarbeit soll einen Einblick in ausgewählte Lebewesen gewähren, welche die Fähigkeit des Farbwechsels haben. Es sollen die wissenschaftliche Erklärung für den Prozess dargestellt, sowie soweit vorhanden Modelle vorgestellt werden, die es gibt, um diese Technik auf unsere Technologien zu übertragen. Die möglichen bionischen Anwendungen geben den Anreiz für diese Forschungen und werden nach aktuellen Informationen aufgezeigt aber auch kritisch betrachtet. Die Wirtschaftlichkeit des zu erreichenden Ziels ist ein wesentlicher Faktor. Neue Produkte brauchen fundamentale Verbesserungen gegenüber Vorgängerprodukte in Bereichen wie Kostensenkung oder Umweltverträglichkeit, um sich auf dem Markt etablieren zu können.

2. Begriffsdefinitionen

Im Vorfeld müssen die Termini erläutert werden, welche für das Verständnis der vorliegenden Arbeit eine wichtige Grundlage bilden. Dazu soll der Begriff der Tarnung erläutert werden, welcher den Farbwechsel bei einigen Tieren unabdingbar macht, um das Überleben und den Fortbestand der eigenen Spezies zu sichern. Eine wichtige Rolle bei der Farbe von Tieren insbesondere dem Farbwechsel spielt das Verständnis von Interferenzfarben, da dieses Prinzip jede Grundlage für erforschte Erkenntnisse ist.

2.1. Tarnung

Die Tarnung entspricht der Anpassung eines Lebewesens an die Gegebenheiten der Natur hinsichtlich Verhalten, Farbe oder Gestalt.² Die Nahrungskette im Tierreich ist lang und umfangreich, das macht es gerade kleinen Arten schwer den eigenen Fortbestand zu sichern. Es gilt das Recht des Stärkeren und des Größeren und fressen oder gefressen werden spielen eine wichtige Rolle. Tiere, die weit unten auf der Nahrungskette stehen, haben sich auf diese Gegebenheiten über Jahrtausende eingestellt. Täuschung und Tarnung werden in Form von Aussehen oder Nachahmung von Geräuschen umgesetzt. Der Höhepunkt der Tarnung, in der Form des Aussehens, spiegelt die Anpassung der Farbe an das gegebene Umfeld wieder.³ Die Kombination der angepassten Farbe sowie Form macht die Lebewesen nahezu unsichtbar und für Feinde unmöglich, diese aufzuspüren.

2.2. Interferenzfarben

Für die Differenzierung von Farben waren viele Jahrtausende der Evolution nötig. Farbe wird aufgrund der elektromagnetischen Wellenlängen des Lichtes im sichtbaren Spektralbereich aufgenommen. Das Licht wird nach molekularem Aufbau des Stoffs reflektiert und durch einen komplexen neurophysiologischen Vorgang zwischen Auge und Gehirn interpretiert.⁴ Im Tierreich müsste man zum Teil von Falsch-Farben sprechen, wenn es um die farbliche Beschaffenheit der Oberfläche dieser geht. Es handelt sich hierbei um lichtbrechende Strukturen, die nach Lichteinstrahlung die Farbe verändern. Diese durch Interferenz erzeugten Farben sind also keine richtigen Farben.⁵

Interferierte Lichtwellen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 entnommen aus Causes of Color

In Abbildung 1 ist dieses Prinzip ersichtlich. Lichtwellen des Typs A, welche die gleiche Wellenlänge haben, werden in Punkt C reflektiert. Die reflektierten Wellen überlagern sich mit Lichtwellen desselben Typs und erzeugen eine Wellenlänge die der abgestrahlten Farbe entspricht.

Nach der Struktur der Oberfläche wird das Licht gespiegelt, absorbiert und überlagert.⁶ Es entstehen Mischformen, die nicht nur auf der Netzhaut entstehen, sondern sich auch im Gehirn formen.

Typen von Interferenz

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 entnommen aus Causes of Color

Es sind konstruktive und destruktive Interferenzen wie in Abbildung 2 zu unterscheiden. Lichtwellenlinien 1 und 2 erzeugen Verstärkungen wenn sie sich in einer Phase befinden wie in Schema A. Diese Verstärkung heißt konstruktive Interferenz. Wenn sie sich nicht in der gleichen Phase befinden löschen sich diese gegenseitig aus wie in Schema B. Es entsteht eine destruktive Interferenz. Die meisten Farben in der Natur werden zum Tarnen genutzt.

3. Das Chamäleon

Die Familie des Chamäleons lebt seit 60 bis 100 Millionen Jahren auf der Erde. Ihr Hauptverbreitungsgebiet erstreckt sich über Afrika bis auf Madagaskar.⁷ Lange wurde davon ausgegangen, dass Chamäleons aus Gründen der Tarnung ihre Farbe an den Untergrund anpassen. Betrachtet man den natürlichen Lebensraum des Chamäleons, lässt sich diese These wiederlegen. Chamäleons sind von Natur aus grünlich mit dunklem Flecken, was eine hervorragende Tarnung in ihrem natürlichen Lebensraum mit dichtem Gebüsch und Bäumen bewirkt. Es sind Stimmungsschwankungen, die sich auf die Farbe eines Chamäleons auswirken.⁸ Die vielfältig möglichen Verfärbungen der Haut dienen dem Chamäleon als Kommunikations- und Mitteilungsmittel gegenüber den Artgenossen. Die Tiere haben keinen direkten Einfluss auf die angenommene Farbe, da die Reaktionen durch Nervenreize ausgelöst werden, die eine Größenveränderung von pigmenttragenden Hautzellen auslösen. Bei Paarungsbereitschaft verfärben sich die meisten Chamäleons in die buntesten Farben. Stress lässt sie in schillernden Farben erscheinen und Angst verursacht eine schwarze Verfärbung als Zeichen ihrer Unterlegenheit. Diese Färbungen unterscheiden sich von Art zu Art, wobei 160 Arten bekannt sind.⁹

3.1. Wissenschaftliche Erklärung

Die Funktion des Farbwechsels lässt sich in den Schichten der Haut des Chamäleons finden, diese Die oberste Schicht ist die Oberhaut (Epidermis). Diese Oberhaut besteht aus mit der Haut zusammengewachsenen verhornten Schuppen. Die oberste Schicht der Oberhaut wächst nicht weiter und wird von Zeit zu Zeit ersetzt, da sie aus toten Keratinzellen besteht. Die für den Farbwechsel erforderlichen Hautzellentypen liegen unter der Oberhaut in Schichten übereinander. In der obersten Schicht können durch die Pigmentzellen Gelb- oder Orangetöne erzeugt werden, was auf die Inhalt von Karotinen zurückzuführen ist. Die Zellschicht darunter gibt braune oder schwarze Töne durch enthaltene Melanine ab. Die unterste Schicht ist durchsichtig. Sie kann das einfallende Licht brechen und reflektieren, was bläuliche Töne entstehen lässt. Betrachtet man die Haut eines Chamäleons, siehtman die oberste Zellschicht, wenn diese mit Karotin gefüllt ist. Lässt diese Füllung nach, kommt die zweite Schicht zum Vorschein.

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¹ Vgl. Sleeper, Barbara; Wolfe, Art (2005): S.3.

² Vgl. http://de.encarta.msn.com/encyclopedia_721567536/Tarnung.html (12.06.09).

³ Vgl. Sleeper, Barbara; Wolfe, Art (2005): S.4ff.

⁴ Vgl. http://de.encarta.msn.com/encyclopedia_761577547/Farbe.html (09.06.2009).

⁵ Vgl. World Wide Fund for Nature und Pro Fotura, S.34.

⁶ Vgl. http://www.webexhibits.org/causesofcolor/15A.html (16.06.2009).

⁷ Vgl. Kieselbach, Domink; Müller, Rolf; Walbröl, Ulrike, S.5.

⁸ Vgl. Duden ± 'LH 7LHUH Ä&KDPlOHRQ³ S.188.

⁹ Vgl. http://www.chamaeleonwelt.com/haltung/farbwechsel-von-chamaeleon.html (02.05.09).