Forscher entdecken, wie gefrorene Meeresbewohner die moderne Robotik prägen könnten

Wissenschaftler der University of Oregon haben herausgefunden, dass Kolonien gallertartiger Meerestiere in Form riesiger Korkenzieher im Ozean schwimmen und dabei einen koordinierten Strahlantrieb nutzen, eine ungewöhnliche Art der Fortbewegung, die zu neuen effizienten Unterwasserfahrzeugdesigns inspirieren könnte.

Im Mittelpunkt der Forschung stehen Salpen, kleine quallenähnliche Lebewesen, die eine nächtliche Reise aus den Tiefen des Ozeans an die Oberfläche unternehmen. Die Beobachtung dieser Wanderung mit speziellen Kameras half den OU-Forschern und ihren Kollegen, das anmutige, koordinierte Schwimmverhalten des Makroplanktons einzufangen.

„Die größte Wanderung auf dem Planeten findet jede Nacht statt: die vertikale Wanderung planktonischer Organismen aus der Tiefsee an die Oberfläche“, sagte Kelly Sutherland, außerordentliche Professorin für Biologie am Oregon Institute of Marine Biology, die die Forschung leitete. „Sie laufen jeden Tag einen Marathon und nutzen dabei neue Strömungsmechaniken. Diese Organismen können als inspirierende Plattformen für den Bau von Robotern dienen, die effizient die Tiefsee durchqueren.“

Die Ergebnisse der Forscher wurden am 15. Mai in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftler machen Fortschritte. Die Studie umfasste Kooperationen des Louisiana Universities Marine Consortium, der University of South Florida, der Roger Williams University, des Marine Biological Laboratory und des Providence College.

Obwohl sie Quallen ähneln, handelt es sich bei Salpen um fassförmiges, wässriges Makroplankton, das eher mit Wirbeltieren wie Fischen und Menschen verwandt ist, sagte Alejandro Damian-Serrano, Assistenzprofessor für Biologie an der OU. Sie leben weit weg von der Küste und können entweder als Einzelgänger oder in Kolonien leben, erklärte er. Kolonien bestehen aus Hunderten von Individuen, die in Ketten miteinander verbunden sind und eine Länge von mehreren Metern erreichen können.

„Salpen sind wirklich seltsame Tiere“, sagte Damian-Serrano. „Während ihr gemeinsamer Vorfahre bei uns wahrscheinlich wie ein kleiner Fisch ohne Knochen aussah, verlor ihre Abstammungslinie viele dieser Merkmale und erweiterte andere. Einzelgänger verhalten sich wie dieses Mutterschiff, das ungeschlechtlich eine Kette einzelner Klone hervorbringt, die sich zu einer Kolonie zusammenschließen.“

Doch das Einzigartigste an diesen Meereslebewesen wurde bei den Ozeanexpeditionen der Forscher entdeckt: ihre Schwimmtechniken.

Bei der Erkundung der Küste von Kailua-Kona auf Hawaii entwickelten Sutherland und sein Team spezielle 3D-Kamerasysteme, um ihr Labor unter Wasser zu tauchen. Sie führten tagsüber Tauchgänge durch, „eingetaucht in unendliches Blau“, wie Damian-Serrano es beschrieb, für gut sichtbare Untersuchungen.

Sie führten auch nachts Tauchgänge durch, bei denen der schwarze Hintergrund kontrastreiche Bilder der transparenten Lebewesen ermöglichte. Sie stießen auf einen riesigen Ausbruch verschiedener Salpen, die nächtlich an die Oberfläche wanderten, sowie auf zahlreiche fotobombardierte Haie, Tintenfische und Krebstiere, bemerkte Sutherland.

Durch Bildgebung und Aufzeichnungen stellten die Forscher zwei Schwimmmuster fest. Während sich kürzere Kolonien wie ein spiralförmiger Fußball um eine Achse drehten, drehten sich längere Ketten immer wieder wie ein Korkenzieher. Dies nennt man Spiralschwimmen.

Spiralschwimmen sei in der Biologie nichts Neues, sagte Sutherland. Auch viele Mikroorganismen drehen und wenden sich im Wasser, die Mechanismen hinter der Bewegung der Salpen sind jedoch unterschiedlich. Die Mikroben schlagen mit haarähnlichen Vorsprüngen oder Schwanzpeitschen auf das Wasser ein, aber Salpen schwimmen mit Strahlantrieb, sagte Sutherland. Sie haben sich zusammenziehende Muskelbänder, wie die im menschlichen Hals, die Wasser pumpen, das von einer Seite des Körpers angesaugt und am anderen Ende ausgestoßen wird, um einen Schub zu erzeugen, sagte Damian-Serrano.

Den Forschern fiel außerdem auf, dass sich einzelne Strahlen zu unterschiedlichen Zeiten zusammenzogen, was dazu führte, dass sich die gesamte Kolonie gleichmäßig und ohne Pause bewegte. Die Düsen waren außerdem geneigt, was zum Drehen und Schwimmen der Spulen beitrug, sagte Sutherland.

„Meine erste Reaktion war wirklich Staunen und Ehrfurcht“, sagte sie. „Ich würde ihre Bewegung als schlangenartig und anmutig beschreiben. Sie bestehen aus mehreren Einheiten, die zu unterschiedlichen Zeiten pulsieren und so eine ganze Kette bilden, die sich sehr leicht bewegen lässt. Es ist eine sehr schöne Art, sich zu bewegen.“

Laut Sutherland gibt es bereits Mikroroboter, die von mikrobiellen Schwimmern inspiriert sind, aber diese Entdeckung eröffnet Ingenieuren den Weg zum Bau größerer Unterwasserfahrzeuge. Es könnte möglich sein, leise, weniger turbulente Roboter zu entwickeln, die sich von diesen effizienten Schwimmern inspirieren lassen, sagte Damian-Serrano. Ein Multijet-Design könne auch energetisch vorteilhaft sein, um Treibstoff zu sparen, sagte er.

Über Mikroben hinaus seien größere Organismen wie Plankton noch nicht auf diese Weise beschrieben worden, sagte Sutherland. Dank Sutherlands neuen und innovativen Methoden zur Untersuchung von Meereslebewesen könnten Wissenschaftler erkennen, dass das Spiralschwimmen weiter verbreitet ist als bisher angenommen.

„Dies ist eine Studie, die mehr Fragen aufwirft als sie beantwortet“, sagte Sutherland. „Es gibt diese neue Art des Schwimmens, die noch nie zuvor beschrieben wurde, und als wir mit der Studie begannen, wollten wir erklären, wie sie funktioniert. Aber wir stellten fest, dass es noch viele weitere offene Fragen gab, wie zum Beispiel, was die Vorteile davon sind.“ Schwimmen auf diese Weise? Wie viele verschiedene Organismen drehen oder drehen sich?