Die unendliche Spinne

Wie Spinnenbeine funktionieren

Sind wir mal ehrlich, Spinnen werden von einer großen Mehrheit der Menschen auf der Welt als gruselig angesehen. Doch wenn man sie fragt, können die meisten Leute nicht wirklich benennen, was es mit Spinnen auf sich hat, das sie so sehr ausflippen lässt. Normalerweise beginnen die Erklärungen mit glänzenden Augen, Reißzähnen, Bissen oder dem Einwickeln ihrer Beute. Auch die Bewegungen der Spinnen stehen ganz oben auf der Liste. Sie krabbeln und huschen nachts umher (vor allem, wenn man das Licht einschaltet und sie davonhuschen), springen und laufen allgemein auf eine „gruselige“ Art und Weise. Aber was macht ihre Bewegungen für uns wirklich fremd und unheimlich? Die Antwort liegt in zwei Schlüsselelementen ihrer Anatomie, ihrem Skelett und ihren Muskeln.

Zunächst sehen Sie sich dieses kurze Video einer laufenden Spinne an, um Ihnen etwas Kontext zu geben:

Spinnen sind Arthropoden, was wörtlich übersetzt „Gliederfüßer“ bedeutet. Wie alle Gliederfüßer haben sie keine Knochen und kein inneres Skelett. Stattdessen haben sie ein hartes äußeres Skelett, das Exoskelett genannt wird. Dieses Exoskelett besteht aus Chitin, so ähnlich wie unsere Fingernägel und Haare. Es ist superstark und leicht. Aber was hat das mit ihrer gruselig-coolen Fortbewegung zu tun? Spinnen haben keine inneren Knochen, was bedeutet, dass sie nicht die gleichen Muskeln und Anhänge haben wie Wirbeltiere.

Im Körper von Wirbeltieren, wie dem Menschen, gibt es drei Arten von Muskeln. Diese sind kardial (Herz), viszeral (innere Organe) oder skelettal. Die Knochen unseres Skeletts werden von Muskeln bewegt, die direkt an jedem Knochen in antagonistischen Paaren ansetzen. Dies sind die Beuger und Strecker. Die Kontraktion der Beugemuskeln bewirkt die Beugung eines Gelenks (denken Sie an das „Anspannen des Muskels“), während die Streckmuskeln die Öffnung eines Gelenks bewirken. Beuger und Strecker ermöglichen uns eine geschmeidige Bewegung in unseren Muskeln. Spinnen haben nicht die gleiche Bewegung.

Menschen haben nur ein Hauptgelenk pro Gliedmaße (Knie, Ellbogen, etc.), aber Spinnen haben sieben Gelenke für jedes Bein. Der Nachteil eines mehrgelenkigen Exoskeletts ist, dass Spinnen nicht die Unterstützung von Knochen für eine Flottille von Beugern und Streckern haben. In ihren Körpern ist nicht genug Platz für die Befestigung, und selbst wenn, würden all diese Muskeln sie superschwer und schwerfällig machen. Außerdem hätten Spinnen weder genug Energie, um diese Muskeln warm zu halten (es ist hart, ein „Kaltblüter“ zu sein), noch genug Sauerstoff, um eine große Anzahl von Muskeln zu versorgen.

Wenn Spinnen also von Natur aus ihre Gliedmaßen nach innen beugen können, wie drücken sie dann ihre Beine nach außen, um zu laufen, zu springen und sich ohne Streckmuskeln fortzubewegen? Die Antwort ist hydraulischer Druck. Der Körper eines Skeletts ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, die wie Blut ist (wenn auch etwas anders) und Hämolymphe genannt wird. Wenn Sie sich erinnern, haben Spinnen nur zwei Körperteile, der erste ist der verschmolzene Kopf und die Mitte, genannt Cephalothorax (#2 unten). Der andere ist ihr Hinterleib (#3).

Alle acht Spinnenbeine sind aus einem guten Grund am Cephalothorax befestigt. Die Auswärtsbewegung jedes Beins wird durch den Cephalothroax gesteuert, der die hydraulische Bewegung und den Druck der Hämolymphe reguliert. Spinnen brauchen keine Streckmuskeln, weil sie die Flüssigkeitsbewegung/Hydraulik nutzen können, um ihre Beine nach außen zu „drücken“. Der Cephalothorax wirkt so etwas wie ein sehr fein abgestimmter, flüssigkeitsgefüllter Blasebalg, der die Hämolymphe in Sekundenbruchteilen durch den Körper der Spinne schiebt. Die Beugemuskeln in den Beinen der Spinne wollen sich natürlich zusammenziehen, aber der hydraulische Druck erlaubt es den Beinen, sich nach außen zu bewegen und dieser Kontraktion zu widerstehen. Haben Sie schon einmal eine tote Spinne gesehen, bei der alle acht Beine eingerollt sind? (ja, ich weiß, die meisten von Ihnen haben gejubelt) Das liegt daran, dass sich ihre Beine beim Tod der Spinne ganz natürlich zusammenziehen, weil die Beugemuskeln keinen hydrostatischen Widerstand leisten.

Denken Sie nicht, dass sie sich nicht effizient bewegen können, nur weil Spinnen keine Sätze von Beugern und Streckern haben. Wie die meisten von Ihnen wissen, können sie sich ziemlich schnell bewegen. Man nimmt an, dass Springspinnen (~1-20 mm lang) in der Lage sind, zwischen dem 30- und 40-fachen ihrer eigenen Länge zu springen!

Einer der Gründe, warum Spinnen von Natur aus scheu und ängstlich gegenüber Menschen (sprich Raubtieren) sind, ist, dass sie sich auf den hydrostatischen Druck in ihrem Skelett verlassen. Wenn sie durchstochen werden oder ein Bein verlieren, laufen sie Gefahr, ihren Druck zu verlieren und buchstäblich zu entleeren. Bei einigen Arten gibt es Kontrollen oder Ventile in den Beinen, um eine Entleerung zu verhindern, aber wenn sie genug Hämolymphe verlieren, können sie sich nicht mehr bewegen. Ihr Hauptkörper ist auch sehr anfällig für Verletzungen und sogar für den Tod.

Der andere Nachteil eines Exoskeletts (den alle Arachnophobiker lieben werden) ist, dass Spinnen nicht sehr groß werden können. Zum Teil liegt das daran, dass diese Art von Hydraulik und ihr dazugehöriges Exoskelett keine sehr großen Landtiere tragen kann. Mehr dazu finden Sie in meinem Beitrag über „Killer 50 Foot Cockroaches“.

SPIDERS AND BIOMIMICRY

Wie regelmäßige Leser meines Blogs wissen, verehre ich die Biomimikry, ein Bereich der Wissenschaft und Technik, der sich mit der Modellierung von Lösungen aus der Natur beschäftigt. Die Hydraulik von Spinnen wird derzeit von Forschern untersucht, um herauszufinden, ob sie Roboter bauen können, die sich wie Spinnen bewegen. Falls Sie meinen Beitrag über Biomimikry und 3D-Drucker noch nicht gelesen haben, lesen Sie ihn hier.

Forscher haben einen kleinen Roboter aus dem 3D-Drucker entwickelt, der mit Hilfe von Hydraulik und Pneumatik springen und krabbeln kann. Wie bei einer echten Spinne werden die Beine des Roboters durch Hydraulikpumpen im Unterleib der Maschine gesteuert. Bevor Sie sich jetzt zu Tode gruseln, denken Sie über die Einsatzmöglichkeiten einer solchen Maschine nach. Menschen könnten Schutt und Trümmer in Gebäuden schnell durchsuchen, Roboterspinnen in Geiselsituationen schicken, verstopfte Abflüsse und Abwasserkanäle auskundschaften, in gefährliche Minen eindringen oder Höhlen erkunden. Die Bewegungen von Spinnen mögen Ihnen gruselig vorkommen, aber es gibt einige großartige Technologien, die durch Nachahmung von Spinnen entwickelt werden können.

SPIDER HYDRAULICS LESSONS

Das Tolle an Spinnen und ihren Bewegungen ist, dass man Unterrichtseinheiten über Biologie, Anatomie, Physiologie, Hydraulik und Pneumatik zu einer technischen Aktivität für die Klassen 5-8 kombinieren kann. Ich habe eine Lektion über hydraulische Arme modifiziert, um über Spinnen zu unterrichten. Es kann so einfach sein wie die Verwendung von Spritzen, Wasser, Eisstielen, Heißkleber, Perlen, Aquarienschläuchen und Kabelbindern. Meine Lieblingsseite war „Easy Hydraulic Machines“ von der Instructables-Website. Sie haben eine Schritt-für-Schritt-Anleitung und ein herunterladbares PDF.

Für meine Klassen begann ich mit einer kurzen Lektion über die Anatomie von Spinnen, dann Hydraulik und Pneumatik (mit Spritzen und Schläuchen). Als nächstes ließ ich die Schüler in Gruppen arbeiten und gab ihnen Material, ohne Bauanleitung. Ich ließ sie Vorschläge für einen hydraulischen Arm machen, einschließlich der Kriterien und Beschränkungen des Projekts (und ja, das entspricht den Next Generation Science Standards). Sie mussten einen Entwurf zeichnen, Materialien herausfinden, ein Konzept entwickeln, wie der Arm funktionieren sollte, und dann nach Genehmigung den Arm bauen. Das kann zwei oder drei Unterrichtsstunden dauern, je nachdem, ob Sie „Hebe“-Herausforderungen haben wollen.

Hier ist ein kurzes Video von der Instructables-Website, das Ihnen einige Ideen gibt:

Das Schöne an diesem Projekt ist, dass man es auch zu Hause machen kann, für die Schule zu Hause oder einfach nur zum Spaß in den Ferien. Sie können sogar Hydraulik-Bausätze online kaufen. Der Kreativität sind keine Grenzen gesetzt!

Auch wenn man Spinnen für gruselig halten kann, sehe ich sie als gruselig-cool. Sie bieten uns eine Fülle von Informationen und Lernmöglichkeiten, von der Art, wie sie ein Material spinnen, das stärker als Stahlseile ist, bis hin zu ihrer Fortbewegung. Hoffentlich haben nun auch Sie einen größeren Respekt vor der bescheidenen Spinne und lassen sie auf ihrem Weg krabbeln.