Mathematik erklärt, wie Bienen mit so winzigen Flügeln in der Luft bleiben können

Von Timothy Revell

Dass Bienen die Gesetze der Mathematik zu missachten scheinen, wurde erstmals in den 1930er Jahren erkannt. Berechnungen zeigten, dass ihre Flügel nicht genug Auftrieb liefern konnten, um ihren Körper vom Boden zu heben, aber das hielt sie nicht ab.

„Die Biene fliegt natürlich trotzdem, weil es den Bienen egal ist, was Menschen für unmöglich halten“, sagt der Erzähler zu Beginn des Bienenfilms von 2007.

Nun hat eine neue mathematische Analyse ein vollständiges Bild davon zusammengestellt, wie Bienen, aber auch andere Insekten und kleine Vögel, es tatsächlich schaffen zu fliegen.

Bis in die 1990er Jahre nahm man an, dass Bienen einen kontinuierlichen Luftstrom über ihren Flügeln nutzen, um Auftrieb zu erzeugen, ähnlich wie Verkehrsflugzeuge fliegen. Doch 1996 entdeckte man, dass Bienen auch winzige tornadoartige Luftströmungen haben, die sich an den Vorderkanten ihrer Flügel bilden, so genannte „leading edge vortices“ (LEVs).

„Anfangs dachten alle, dies sei die magische Lösung, nach der wir gesucht hatten. Die Leute verehrten die Wirbel und nahmen an, dass sie für den zusätzlichen Auftrieb verantwortlich sein müssten“, sagt Mostafa Nabawy von der University of Manchester.

Nach einer erneuten Analyse von acht verschiedenen Experimenten mit acht verschiedenen Arten haben Nabawy und seine Kollegen jedoch gezeigt, dass die LEVs eigentlich gar keinen zusätzlichen Auftrieb erzeugen. Indem sie drei mathematische Modelle erstellten, jedes mit einem anderen Mechanismus zur Erzeugung des Auftriebs, und dann die Modelle mit den ursprünglichen Experimenten verglichen, konnten sie herausfinden, wie die Lebewesen in der Luft bleiben.

Winzige Tornados

Überraschenderweise fanden sie heraus, dass LEVs nicht direkt den Auftrieb erzeugen, wie bisher angenommen wurde. „Stattdessen haben wir herausgefunden, dass LEVs dazu führen, dass der Flügel in einem viel höheren Anstellwinkel fliegen kann, ohne abzuwürgen“, sagt Nabawy.

Die Luftwirbel am Rand des Bienenflügels ermöglichen es dem Insekt, seinen Flügel stärker in Richtung Himmel zu winkeln, was den Luftstrom über den Flügel verbessert. Es ist dieser höhere Flügelwinkel, der Bienen, Fruchtfliegen und sogar Kolibris genug Auftrieb gibt, um zu fliegen.

Wenn eine Biene mitten im Flug wäre und die LEVs einfach aufhören würden sich zu drehen, würde die Biene absterben, was bedeutet, dass der Druckunterschied zwischen der Ober- und der Unterseite des Flügels, der für den Auftrieb verantwortlich ist, abnehmen würde. Sie würde dann aus der Luft fallen und am Boden entlang hüpfen, bevor sie schließlich mit einem wunden Hinterteil zum Stillstand kommt.

„Indem die Autoren diese mathematischen Ideen mit gemessenen Daten von realen Flügeln getestet haben, haben sie überzeugend gezeigt, dass die beste Erklärung darin besteht, dass der Wirbel an der Vorderkante den Strömungsabriss verhindert“, sagt Richard Bomphrey vom Royal Veterinary College.

Zu verstehen, wie eine Biene fliegt und das letzte Wort über das sogenannte Bienenparadoxon zu haben, ist an sich schon ein lohnendes Ziel. Aber die neue Arbeit könnte auch „einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung von Ventilatoren, Turbinen oder fliegenden Miniaturfahrzeugen für Lieferungen, Überwachungs- oder Such- und Rettungsaufgaben haben“, sagt Bomphrey.