ZfP in der Natur: Der Sandskorpion als Meister der Schallanalyse
7. März 2017
Tierische Sensorik: Der Wüstenskorpion nutzt Schallwellen zur „Materialprüfung“.
Tiere interessieren sich nicht für die Prüfung von Schmiedestücken, Gussteilen oder Schweißnähten. Doch auch Futter ist letztlich „Material“: Es muss gefunden, lokalisiert und bewertet werden. In gewisser Weise betreiben viele Tiere also ebenfalls eine Form der Materialprüfung.
Ein besonders faszinierendes Beispiel liefert der Sandskorpion, unter Ultraschallprüfern bekannt als Smeringurus mesaensis. Neben kräftigen Scheren und einem wehrhaften Stachel verfügt dieses Tier über ein bemerkenswertes Sensorsystem: Seine acht Beine wirken als extrem empfindliche Schalldetektoren – und machen ihn zu einem Meister der Schwingungsanalyse im Wüstensand.
Schallwellen im Sand: Zwei unterschiedliche Signaltypen
Bewegt sich ein Tier in der Nähe des Skorpions, entstehen im Sand mechanische Wellen. Dabei treten zwei unterschiedliche Wellenarten auf.
Zum einen entstehen Kompressionswellen, die sich parallel zur Sandoberfläche mit einer Geschwindigkeit von etwa 110 Metern pro Sekunde ausbreiten. Zum anderen bilden sich Rayleigh-Wellen, die sich mit rund 40 Metern pro Sekunde durch den lockeren Sand bewegen. Ihre Bewegung ähnelt der von Wasserwellen: Es entstehen Wellenberge und Wellentäler, während sich die Sandkörner entsprechend auf und ab bewegen.
Hochsensibles Sensor-Array aus acht Beinen
Der etwa acht Zentimeter große und praktisch blinde Skorpion positioniert sich im lockeren Wüstensand so, dass seine acht Beine einen Kreis von ungefähr fünf Zentimetern Durchmesser bilden. In dieser Haltung wartet er auf eintreffende Schwingungen im Boden.
Die Sensorik in seinen Beinen ist außergewöhnlich empfindlich. Selbst ein einzelnes Sandkorn – mit einem Gewicht von etwa 0,2 Milligramm – das in einem Abstand von rund 50 Zentimetern zu Boden fällt, kann vom Skorpion registriert werden. Dabei erkennt er Richtung und Entfernung der Störquelle nahezu gleichzeitig.
Entfernungsmessung über Zeitunterschiede
Bewegt sich ein mögliches Beutetier in der Nähe des Skorpions, erreichen ihn zunächst die schnelleren Kompressionswellen. Die Rayleigh-Wellen folgen kurze Zeit später.
Der Skorpion unterscheidet diese beiden Wellenarten anhand zweier Merkmale:
- der unterschiedlichen Bewegungsrichtung der Sandkörner unter seinen Beinen
- dem Zeitunterschied von etwa sieben Millisekunden zwischen beiden Wellentypen
Aus diesem Zeitversatz kann der Skorpion auf die Entfernung zur Schallquelle schließen – eine erstaunliche Leistung für ein Tier ohne Sehvermögen.
Richtungsbestimmung durch ein biologisches Sensor-Array
Die kreisförmige Anordnung der acht Beine funktioniert ähnlich wie ein technisches Sensor-Array. Das Bein, das der Schallquelle am nächsten liegt, registriert das Signal zuerst. Die anderen Beine empfangen es mit minimalem Zeitversatz – abhängig von ihrem Winkel zur Quelle.
Der Skorpion kann dabei Zeitunterschiede im Bereich von Bruchteilen von Millisekunden auswerten. So bestimmt er die Richtung seiner potenziellen Beute sehr präzise.
Jagdstrategie = UT1, UT2 oder UT3?
Da sich das Beutetier bewegt und damit Abstand und Richtung ständig verändern, passt auch der Skorpion seine Position an. Er bewegt sich kurz, hält inne und führt eine neue „Messung“ durch. Auf diese Weise rekonstruiert er Schritt für Schritt den Laufweg seiner Beute und kann gezielt zuschlagen.
Die Jagdstrategie des Sandskorpions basiert auf erstaunlich komplexen physikalischen und mathematischen Zusammenhängen. Für Werkstoffprüfer drängt sich da fast eine scherzhafte Frage auf: Über welche Qualifikation verfügt der Skorpion eigentlich? UT1? UT2? Oder sogar UT3?
Die Antwort ist einfach: Keine davon. Er kann es einfach.
