Quelle: Universität Basel.

Das Spinnenexperiment der US-amerikanischen Raumfahrtagentur NASA ist fast ein Lehrstück über die frustrierenden Fehlschläge und glücklichen Zufälle, die manchmal zu unerwarteten Erkenntnissen in der Forschung führen. Die Fragestellung war relativ einfach: Auf der Erde bauen Spinnen asymmetrische Netze, deren Zentrum zum oberen Rand hin verschoben ist. Dort sitzen die Spinnen in Ruhestellung mit dem Kopf nach unten, weil sie in Richtung der Schwerkraft schneller zu ihrer frisch gefangenen Beute gelangen können.

Aber was machen die Achtbeiner in der Schwerelosigkeit? Die NASA wollte bereits 2008 mit diesem Experiment Mittelschulen in den USA begeistern. Aber trotz einfacher Fragestellungen war die Planung und Durchführung des Experiments im Weltall äußerst anspruchsvoll. Was zu einigen Missgeschicken führte.

Damals flogen zwei Individuen verschiedener Spinnenarten als «Arachnauten» zur ISS, die eine (Metepeira labyrinthea) als «Hauptdarstellerin» im Experimentierkasten, die andere (Larinioides patagiatus) als Reserve, falls die erste nicht überleben sollte.

Die Reservespinne flüchtete
Doch es gelang der Reservespinne, aus ihrer Aufbewahrungskammer auszubrechen und in die Hauptkammer zu gelangen. Öffnen ließ sich die Kammer aus Sicherheitsgründen nicht und so ließ sich die überzählige Spinne nicht wieder einfangen. So spannen die beiden Spinnen ihre etwas wirren Netze in der gleichen Kammer und störten sich dabei gegenseitig.

Damit nicht genug: Die Fliegen, die als Nahrung dabei waren, vermehrten sich stärker als erwartet. Ihre Larven krochen im Lauf der Zeit aus ihrem Zuchtbehälter am Boden des Kastens in die Experimentierkammer und bedeckten nach zwei Wochen große Teile der Frontscheibe. Nach einem Monat waren die Spinnen hinter all den Fliegenlarven gar nicht mehr zu sehen.

Ein Fehlschlag, der noch lange an Dr. Paula Cushing vom Denver Museum of Nature & Science nagte, die an der Planung des Spinnenexperiments beteiligt war. Als sich 2011 erneut die Gelegenheit für ein ähnliches Experiment an Bord der ISS ergab, zog die Forscherin auch PD Dr. Samuel Zschokke von der Universität Basel bei, um den neuen Versuch vorzubereiten und auszuwerten. Diesmal startete das Experiment mit vier Spinnen der gleichen Art (Trichonephila clavipes): Zwei flogen zur ISS, zwei blieben auf der Erde und wurden unter identischen Bedingungen wie ihre im Weltraum reisenden Artgenossinnen gehalten und beobachtet – außer dass sie der irdischen Schwerkraft ausgesetzt waren.

Die Weibchen waren Männchen
Geplant war eigentlich, vier Weibchen zu verwenden. Doch passierte ein erneutes Malheur, weil die Spinnen als Jungtiere für das Experiment ausgewählt werden mussten und sich bei juvenilen Tieren das Geschlecht nur schwer feststellen lässt: Zwei der Spinnen stellten sich im Lauf des Experiments als Männchen heraus, die sich ausgewachsen von den Weibchen dieser Spinnenart in Körperbau und Größe deutlich unterscheiden. Doch Glück im Unglück – eines der Männchen war an Bord der Raumstation, eines auf der Erde.

Die Achtbeiner spannen ihre Netze, bauten sie wieder ab, spannen neue. Alle fünf Minuten machten drei Kameras pro Kasten Aufnahmen. Zschokke, Cushing und Stefanie Countryman vom Forschungszentrum BioServe Space Technology der University of Colorado, das das Design und den Start der für das Experiment nötigen Infrastruktur verantwortete, werteten die Symmetrie von 100 Spinnennetzen sowie die Orientierung der Spinne im Netz anhand von rund 14.500 Bildern aus.

Dabei stellte sich heraus, dass die in Schwerelosigkeit gebauten Netze tatsächlich symmetrischer waren als die auf der Erde gesponnenen. Ihr Zentrum lag also stärker zur Mitte hin, und die Spinne hatte den Kopf nicht immer nach unten gerichtet. Allerdings bemerkten die Forschenden, dass es einen Unterschied machte, ob die Spinnen ihre Netze im Licht der Lampen oder bei Dunkelheit bauten. Im Lampenschein gebaute Netze an Bord der ISS waren ähnlich asymmetrisch wie die irdischen Netze.

Licht als Reservesystem beim Netzbau
«Dass Licht für die Orientierung der Spinnen im Raum eine Rolle spielt, hätten wir nicht vermutet», sagt Zschokke, der das Spinnenexperiment analysiert und die Ergebnisse mit seinen Kolleginnen im Fachblatt «Science of Nature» veröffentlicht hat. «Wir hatten großes Glück, dass die Lampen oben an der Kammer angebracht waren und nicht auf verschiedenen Seiten. Sonst hätten wir den Effekt des Lichts auf die Symmetrie der Netze in Schwerelosigkeit nicht feststellen können.»

Die Analyse der Aufnahmen zeigte auch, dass die Spinnen in willkürlicher Orientierung im Netz ruhten, wenn die Lichter ausgeschaltet waren, aber sich im Hellen von den Lichtern weg orientierten – also nach unten. Demnach nutzen Spinnen Licht als zusätzliche Orientierungshilfe, wenn die Schwerkraft fehlt. Da Spinnen ihre Netze auch im Dunkeln bauen und Beute auch ohne Licht fangen können, ging man dagegen bisher davon aus, dass Licht für die Orientierung der Tiere keine Rolle spielt.

«Dass Spinnen ein solches Reservesystem zur Orientierung haben, scheint überraschend, da sie im Laufe ihrer Evolution ja nie einer Umwelt ohne Schwerkraft ausgesetzt waren», so Zschokke. Allerdings könne der Lagesinn der Spinnen während des Netzbaus durcheinandergeraten: Das dafür zuständige Organ registriert die relative Position des vorderen Körperteils zum hinteren. Während der Konstruktion des Netzes sind die beiden Körperteile jedoch in ständiger Bewegung, sodass eine zusätzliche Orientierungshilfe anhand der Richtung des Lichts besonders während des Netzbaus nützlich sei.

Originalpublikation
Samuel Zschokke, Stefanie Countryman, Paula E. Cushing
Spiders in space – orb-web-related behavior in zero gravity
Science of Nature (2020), doi: 10.1007/s00114-020-01708-8

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Ein Beitrag von Martin Ollrom. Quelle: Universität Colorado.

Dabei ist die Technik eigentlich sehr einfach und logisch. Wenn uns beim Autofahren die Sonne blendet, was machen wir dann? Richtig! Wir geben die Sonnenblende herunter, so dass uns die Sonne nicht mehr blenden kann. Raumsonden haben etwas Ähnliches eingebaut, kurz bevor das unerwünschte Sternenlicht auf die empfindlichen Teleskope und Geräte treffen würde. Die Forscher an der Universität Colorado meinen nun, dass dies viel zu nah an den Instrumenten ist, viel zu klein und schwach ausfällt. Deswegen setzt die Universität Colorado auf eine neue, eigentlich wiederum logische Technik. Denn welcher Sonnenschutz ist effektiver? Einer der direkt vor meinen Augen die Sonne abdeckt, oder der tausende Kilometer über mir bereits die Sonne komplett verdeckt? Beispiel wäre hier der Mond bei einer Sonnenfinsternis – besser als jeder Sonnenschirm. Genauso müsste man bei Raumsonden arbeiten. Ein großes Lichtschild (auch als „Sternverdünkler“ bekannt) sollte jede Raumsonde vor sich aufgebaut haben. Dieses blockt dann effizienter das unerwünschte Sternenlicht als die jetzige Technik und die Forscher können das Teleskop voll ausnutzen und erdähnliche Planeten in anderen Sonnensystemen finden. So sehen dies zumindest die Forscher der Universität von Colorado.

Der dünne, aus Plastik hergestellte „Sternverdünkler“, soll den Teleskopen, die sich mehrere tausend Kilometer hinter dem Lichtschild befinden, erlauben, alle gesuchten Objekte vom Umgebungslicht unterscheiden zu können, so Professor Webster Cash. Es soll nicht nur der Planet selbst entdeckt werden können, sondern auch planetarische Eigenheiten wie zum Beispiel: Ozeane, Polare, Wolken oder sogar Methan, Sauerstoff und Wasser. „Wir glauben, dass es ein sehr gutes und machbares Konzept ist, weil wir alles, was wir benötigen, mit heutiger und existierender Technologie schon bauen könnten“, erwähnt Cash. „Wir könnten erdähnliche Planeten bis auf’s kleinste Detail untersuchen, obwohl sie Billionen oder gar Billiarden von Kilometern entfernt sind. Die am 6. Juli veröffentlichte Studie beinhaltet mathematische Lösungen und Optimierungen für den Abstand Lichtschild – Raumsonde und für die Form des Lichtschildes. Beides ist natürlich von der Raumsondenart und Raumsondengröße abhängig.

Dabei werden die Lichtschilder eigene, kleine Antriebe haben, von der Raumsonde aus starten und sich richtig platzieren. Im Notfall könnten die Antriebe wieder verwendet werden, um die Position zu korrigieren oder zu halten. Es könnten Planeten bis in Mondgröße entdeckt werden. In den letzten Jahren wurden 175 Planeten um fremde Zentralsterne entdeckt.

Das Team um Professor Cash hat auch schon reichlich Anhänger. Die NASA hat dem Team den Auftrag gegeben, ein eigenes Lichtschild zu starten, das mit dem James Webb Teleskop zusammenarbeiten soll und somit die Leistungen und Qualitäten des James Webb Teleskops in ungeahnte Höhen treiben soll. Auch der New World Observer wird komplett auf dieser Technik basieren. Natürlich wird das Projekt von der NASA finanziell unterstützt. Cash hat schon ehrgeizige Ziele. Innerhalb des nächsten Jahrzehnts will er mit dieser Technik erdähnliche Planeten entdeckt haben und vielleicht sogar mögliches Leben. In einer weitergehenden Vision will Cash solche Teleskope auf einer zukünftigen Mondbasis montieren.

Wir dürfen uns wohl auf neue, revolutionäre Ergebnisse freuen.

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