PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Biosensorik / Bionik II“

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1 PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Biosensorik / Bionik II“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Biosensorik / Bionik II“ Integrierte Leistungen von Sinnesorganen Exotische Messprinzipien in der Natur Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Die Mückenantenne

3 Der Tenor und die Mücken

4 Antenne einer männlichen Stechmücke

5 Antenne einer männlichen und einer weiblichen Stechmücke

6 Lagerung der Antennenschäfte im Johnstonschen Organ

7 7 nm Potenzialänderung

8 Ableitung der Potenziale aus dem Johnstonschen Organ

9 Charakteristische Geschwindigkeit der akustisch bewegten Luftpartikel
Nicht verwechseln mit der Schallgeschwindigkeit ! Ergebnis: Die Mücke besitzt ein Schallschnelle-Vektormessgerät. Die gefiederte Geißel wird von den longitudinal hin und her schwingenden Luftmolekülen mitgeschleppt. Das Verhältnis von Grundwelle zur Oberwelle bestimmt die Schlepprichtung der Geißel.

10 Das JOHNSTON-Organ an der Basis einer Fliegenantenne
Haar Antennenbasis Pedicellus Sinneszelle äußerer Skolopidienring innerer Skolopidienring Basalplatte Die Skolopidien reagieren primär auf Zug basale Skolopidien Nervenkomplex Scapus

11 Modellvorstellung zur Signalwandlung im JONSTONschen Organ
Auf-Ab-Schwingung Kipp-Schwingung Modellvorstellung zur Signalwandlung im JONSTONschen Organ In dem Modell sollen Federn als Spannungs-Sensoren nur auf Druck und nicht auf Zug reagieren

12 Einfache Summation der Signale
Summierer Einfache Summation der Signale

13 Mikrosystem künstliche Mückenantenne

14 Erste experimentelle Realisierung (1976)
Dioden Bei Kippschwingungen ≈ doppelte Frequenz Erste experimentelle Realisierung (1976)

15 Das Seitenlinienorgan der Fische

16 Seitenlinienorgan des Hais
Poren Schuppen Gallerte Innerer Kanal Poren Haarzellen Druck-welle ! Nervenfasern Innerer Kanal

17 Artspezifische Strömungsspur
Sonnenbarsch Buntbarsch These: Fische hinterlassen eine Strömungsspur, die noch nach Minuten über das Seitenlinienorgan gefühlt wird. Kugelfisch H. Bleckmann und W. Hanke: Journal of Experimental Biology 207, S

18 Fischschwarm Man fühlt sich gegenseitig über das Seitenlinienorgan

19 Elektroortung bei Fischen

20 Das elektrorezeptive System des Hais
Poren Das elektrorezeptive System des Hais Lorenzinische Ampullen (= modifizierte Haarzellen)

21 Passive Elektroortung
Hammerhai beim Abscannen des Meeresbodens „EEG“ einer verborgenen Scholle Passive Elektroortung

22 Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii)
400 Hz Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii) Aktive Elektroortung

23 leitend nichtleitend Feldverzerrung

24 Um die Fähigkeit der Elektroortung von G
Um die Fähigkeit der Elektroortung von G. petersii zu testen, wurden einzelnen Tieren nach dem Zufallsprinzip unterschiedlich entfernte Objekte hinter zwei Öffnungen in einer Trennwand präsentiert. Schwamm der Fisch durch das Tor, hinter dem sich das weiter entfernte Objekt befand, wurde er belohnt.

25 Frequenzanalyse in der Cochlea

26 Cochlea Tektorialmembran Äußere Haarzellen Innere Haarzellen
Basilarmembran Die äußeren Haarzellen wirken durch eine Verlängerung als „Servomotor“

27 Wanderwelle in der Cochlea Hammer Amboss Steigbügel Cochläre Tennwand
Trommelfell Wanderwelle Basilarmembran Gehörknöchelchen Ovales Fenster Rundes Fenster Wanderwelle in der Cochlea

28 Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem tiefen Ton
Zirpen einer Grille Quaken eines Ochsenfroschs Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem tiefen Ton

29 Ultraschallortung der Fledermäuse

30 Echoortung der Fledermaus Doppler-Kompensation

31 Die Navigation der Bienen

32 Der Akteur und die Requisiten

33 Honigbiene fliegt durch einen optisch gemusterten Tunnel
( Preisgekröntes Foto von Marco Kleinhenz )

34 Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen
Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft

35 Richtungsweisung auf der vertikalen Wabenfläche
Bienentanz Richtungsweisung auf der vertikalen Wabenfläche

36 Tanztempo und Entfernung des Futterplatzes

37 Polarisationsmuster des Himmels
Polarisationsfolie Polarisationsmuster des Himmels

38 Sternfolie von Karl von Frisch
Polarisationsrichtung Sternfolie von Karl von Frisch

39 Bienenflug über ein Gewässer bei Wind

40 60 km Flensburg 40 km/h 200 km/h 300 km Hannover

41 Abdrift durch Seitenwind
Flugweg 8 m/s Abdrift durch Seitenwind

42 Foto: Gabriele Jesdinsky
Rüsselkäfer

43 Mathematisches Modell
Verhaltensphysiologische Methode Kontrollierte Reizgebung Messung der Reaktion

44 Der Spangenglobus

45 Der klassische Rüsselkäferversuch
von Hassenstein und Reichardt ( ) Spangenglobus und Korrelationsauswertung Der Käfer Chlorophanus trägt, für die Dauer des Ver-suchs freischwebend fixiert, den aus Stroh gefertig-ten Spangenglobus in seinen Füßen mit eigener Kraft, und dreht ihn, indem er vorwärts läuft. Gewicht des Spangenglobus: 0,1 g Durchmesser des Spangenglobus: 29 mm Optischer Korrelationssensor

46 Bei 100 Käferentscheidungen

47 Messung der optomotorischen Reaktion einer laufenden Grille (1999)
Die Grille läuft auf einer luftgelagerten Styropor-Kugel. Das rotierende Streifenmuster erzeugt eine Drehreaktion. Messung der optomotorischen Reaktion einer laufenden Grille (1999)

48 Mathematisches Modell

49 Zwei-Ommatidien-Schaltung
Übertragungsfunktion: Zwei-Ommatidien-Schaltung

50 Abdriftsensor nach dem Vorbild des Bienenauges
Montage an ein Motorflugzeug Abdriftsensor nach dem Vorbild des Bienenauges (1977) Erprobung am Segelflugzeug ASK 13

51 Das Gyroskop der Wiesenschnake

52 Der schwingende Kreisel der Wiesenschnake
Foto: M. Wiora Der schwingende Kreisel der Wiesenschnake Foto: Klaus Maritschnigg Schwingkölbchen

53 Exotische Messprinzipien der Natur
Zusammenfassung: 1. Die Mückenantenne als Schallschnelle-Vektormessgerät 2. Das Seitenlinienorgan als Fernfühlmessgerät (Ferntastsinn) 3. Das „EEG“-Messsystem des Hais 4. Elektrische Umgebungsabtastung durch den Elefantenrüsselfisch 5. Die Cochlea als Wanderwellen-Frequenzanalysator 6. Die Doppler-Regelung bei der Echoortung der Fledermaus 7. Die berührungslose Geschwindigkeitsmessung der Bienen 8. Der rotationslose Kreiselkompass der Wiesenschnake

54 Ende