Das auffallendste Merkmal der Elefanten ist ihr beweglicher und vielseitig einsetzbarer Rüssel – er übernimmt viele Aufgaben, die bei uns Hände und Arme leisten. Mit dieser muskulösen Verlängerung von Nase und Oberlippe können die Tiere große Baumäste biegen und Stämme aufheben. Gleichzeitig ist der Rüssel feinfühlig genug, um selbst eine Erdnuss zu fassen, ohne sie zu zerdrücken. Kein Wunder, dass die Hirnregion, die beim Elefanten den Rüssel steuert, mehr Nervenzellen enthält als bei jedem anderen Landsäugetier. Der Rüssel selbst wird von mehr Muskeln kontrolliert als wir Menschen im gesamten Körper besitzen.
Rüssel-Tasthaare sind abgeflacht und porös
Eine weitere Besonderheit des Elefantenrüssels sind seine Tasthaare: „Rund 1000 dieser unbeweglichen Haare sitzen auf den dickhäutigen oberen und unteren Flächen des Rüssels“, erklären Andrew Schulz vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart und seine Kollegen. „Sie erweitern die sensorischen Fähigkeiten des Elefantenrüssels und helfen ihm bei der präzisen Manipulation von verschiedensten Objekten.“ Wie diese Tasthaare des Rüssels aufgebaut sind und was sie so sensitiv macht, haben die Forschenden nun genauer untersucht. Dafür analysierten sie zunächst die Form der Rüsselhaare mithilfe der Mikrocomputertomographie. Dies zeigte, dass die Elefanten-Tasthaare anders als die Schnurrhaare von Katzen oder Tasthaare von Ratten keinen kreisförmigen Querschnitt haben, sondern abgeflacht sind. Dies gilt vor allem für die Haare nahe der Rüsselspitze. „Dadurch biegen sich die Tasthaare leichter in der Längsrichtung des Rüssels“, berichten Schulz und sein Team. Dies ist sinnvoll, weil sich der Rüssel in Längsrichtung stark dehnen und kontrahieren kann und die Haare dem durch ihre flache Form besser folgen können.
Die zweite Eigenheit zeigte sich ebenfalls durch die Mikrotomographie: Die Rüsseltasthaare der Elefanten haben eine hohle Basis und sind von mehreren hohlen Kanälen durchzogen. „Solche Kanäle fördern die Energieverteilung in Keratinstrukturen und reduzieren das Gewicht“, erklärt das Team. Ähnliche Tubuli finden sich auch in Geweihen, den Hörnern von Bighorn-Schafen oder in Pferdehufen. Den Tasthaaren am Elefantenrüssel verleihen die Hohlstrukturen ein verringertes Gewicht, eine erhöhte Stoßfestigkeit und mehr Schutz vor Brüchen, wie die Forschenden erklären. Im nächsten Test überprüften sie die Steifigkeit und Druckfestigkeit der Tasthaare. Dafür drückten sie die Haare an verschiedenen Stellen nahe der Basis in der Mitte und nahe der Haarspitze seitlich ein und beobachteten, wie stark das Material nachgibt und wie schnell die Delle wieder verschwindet. Den gleichen Test führten sie mit den Körperhaaren der Elefanten und den Schnurrhaaren von Katzen durch.
(Video: Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme)
Unten steif, an der Spitze gummiartig
Diese Tests ergaben: Anders als bei Ratten, Mäusen oder den Körperhaaren von Elefanten sind die Rüsseltasthaare nicht überall gleich steif. Stattdessen besitzen sie eine steife, kunststoffartige Basis, die entlang des Haares in eine weiche, gummiartige Spitze übergeht. Dieser Steifigkeitsverlauf verhindert das Brechen der Tasthaare und sorgt für eine einzigartige Kontaktkodierung entlang der gesamten Länge des Haares. „Das ist ziemlich erstaunlich! Der Steifigkeitsgradient liefert eine Karte, anhand derer Elefanten erkennen können, wo entlang jedes Tasthaares ein Kontakt stattfindet“, sagt Schulz. „Diese Eigenschaft hilft ihnen zu erkennen, wie nah oder wie weit ihr Rüssel von einem Objekt entfernt ist.“ Nur so ist es den Elefanten möglich, mit ihrem Rüssel einen dünnen Tortilla-Chip aufzunehmen, ohne ihn zu zerbrechen, oder eine winzig kleine Erdnuss zu greifen. Auch die Schnurrhaare von Hauskatzen zeigen einen solchen Steifigkeitsgradienten.
Zusammengenommen enthüllen diese Ergebnisse, was die Rüssel der Elefanten so feinfühlig macht. „All dies ist in der Geometrie, Porosität und Steifigkeit des Haares enthalten. Ingenieure bezeichnen dieses natürliche Phänomen als verkörperte Intelligenz“, sagt Schulz. Diese Form von Materialintelligenz sei ausgefeilter als die der gut erforschten Tasthaare von Ratten und Mäusen. „Unsere Ergebnisse tragen zu unserem Verständnis der taktilen Wahrnehmung dieser faszinierenden Tiere bei und eröffnen spannende Möglichkeiten, die Beziehung zwischen den Materialeigenschaften der Tasthaare und der neuronalen Informationsverarbeitung im Gehirn der Tiere weiter zu untersuchen“, ergänzt Co-Autorin Lena Kaufmann von der Humboldt-Universität zu Berlin. Die neuen Erkenntnisse könnten sich jedoch auch nutzen lassen, um technische Sensoren zu optimieren. „Bioinspirierte Sensoren mit künstlichen, den Rüsselhaaren ähnlichen Steifigkeitsgradienten könnten allein durch intelligentes Materialdesign präzise Informationen mit geringem Rechenaufwand liefern“, sagt Schulz.
Quelle: Andrew Schulz (Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart) et al., Science, doi: 10.1126/science.adx8981
