Mini-Biosensor

Käfer spürt mit Infrarot-Sensor Waldbrände auf

Der Schwarze Kiefernprachtkäfer mag es heiß: Seine Larven ernähren sich am liebsten von frisch verbranntem Holz, das er mit Hilfe spezieller Infrarot-Sensoren aufspürt. Bonner Wissenschaftler haben jetzt das Funktionsprinzip dieses in Natur und Technik einzigartigen Feuersensors, der das Insekt Feuer gewissermaßen "hören" lässt, enträtselt und in der jüngsten Ausgabe des Fachmagazins "Journal of Experimental Biology" veröffentlicht.

"Es ist uns erstmalig gelungen, wichtige Materialeigenschaften dieses Sensors (kleines Bild rechts) im Nanobereich zu messen, um damit unser Modell der Wirkungsweise weiter zu bestätigen", so Studienautor Helmut Schmitz vom Institut für Zoologie an der Universität Bonn. Angeblich kann der Käfer mit Hilfe des Sensors Waldbrände aus bis zu 80 Kilometern Entfernung registrieren. "Die Zahl ist nicht wissenschaftlich belegt. Fest steht allerdings, dass der Sensor so empfindlich ist, dass der Käfer den Brand aus mehreren Kilometern Entfernung detektieren kann", meint Schmitz. 

Fünfmal schneller als technischer Infrarot-Fühler
Dass die Käfer, die in Süd- und Südosteuropa heimisch sind, wahre Branderkennungskünstler sind, sei keine Neuheit, meint Schmitz. "Es ist uns aber gelungen, der Wirkweise dieses Sensors, der etwa fünfmal schneller als technische Infrarot-Fühler arbeitet, näher zu kommen." Das Geheimnis dahinter ist, dass der Wärmereiz zunächst in eine Druckerhöhung umgewandelt wird, die der Käfer registriert. "Die Sinneszelle, mit der er das tut, ist ein typischer Mechano-Rezeptor, wie er beispielsweise auch in vielen Gehörorganen von Insekten - etwa bei Heuschrecken oder Grillen - zum Einsatz kommt", so der Experte.

Besser als existierende Waldbrand-Sensoren
Die druckempfindliche Spitze der mechanischen Sinneszelle ist in einen winzigen runden Druckbehälter, dessen Wand extrem fest ist, eingebettet. In diesem befinden sich einige hundertmilliardstel Milliliter Wasser, das sich bei Bestrahlung mit Infrarotlicht einer gewissen Wellenlänge erwärmt. Durch die Ausdehnung der Flüssigkeit erhöht sich der Druck im Behälter (kleines Bild links), der wie auch der Insektenpanzer aus Kutikula besteht. "Der Druckbehälter, dessen einzig weiche Stelle die Spitze der Sinneszelle ist, die wie ein Handschuhfinger in ihn hineinragt, misst nur ein Drittel der Dicke eines menschlichen Haares", erklärt Schmitz. Wenn sich das erwärmte Wasser ausdehnt, drückt es diese winzige fingerförmige Struktur zusammen. 

"Das Faszinierende an diesem Mechanismus ist, dass der Käfer diese Spannungsänderung schon wenige tausendstel Sekunden nach dem Infrarot-Puls registriert", so der Wissenschaftler. Damit stelle dieser Sensor bisher existierende auf Wärmestrahlungsdetektion basierende Waldbrandsensoren deutlich in den Schatten. (pte)

Fotos: AG Prof. Schmitz bzw. Nees Institut der Universität Bonn/Martin Müller