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Bogenschützenfische nutzen fortschrittliche Hydrodynamik

von
übersetzt von Team schöpfung.info

istockphoto.com/ZU_09archer-fish

Bogenschützenfische (auch bekannt als Spinnerfische oder Schützenfische1 sind kleine Fische, meist 5-10 cm lang, die eine ungewöhnliche Jagdmethode haben. Anstatt Beute im Wasser zu suchen, in dem sie leben, jagen sie Beute, die sich weit über der Wasseroberfläche befindet. Der Bogenschützenfisch holt sie herunter, indem er einen kräftigen Wasserstrahl auf sie schießt. Dies ist viel schwieriger, als es scheint.

Der Strahl selbst wird in einem engen Kanal am Gaumen des Mauls erzeugt, indem die Zunge gegen eine Rinne gedrückt wird. Dann zieht der Fisch seine Kiemendeckel zusammen, um Wasser durch diesen Kanal und durch seine Lippen nach außen zu drücken.

Der ausgewachsene Bogenschützenfisch trifft sein Ziel normalerweise beim ersten Mal. Allerdings befindet er sich unter Wasser, was das Problem der Lichtbrechung an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft mit sich bringt. Bei einem typischen Schusswinkel von 74° von der Horizontalen bewirkt die Lichtbrechung, dass der Bogenschützenfisch ihn bei 78° sieht. Er kann in flacheren Winkeln bis zu 45° schießen, wobei die Abweichung dann mit 58° sogar noch größer ist.2 Der Bogenschützenfisch muss diesen Unterschied ausgleichen. Er muss auch die Tatsache ausgleichen, dass sich der Strahl nicht auf einer geraden Linie bewegt, sondern sich aufgrund der Schwerkraft nach unten krümmt und einer parabelförmigen Bahn folgt.

All dies wäre nutzlos, wenn der Bogenschützenfisch seine Beute nicht fangen könnte, nachdem sie ins Wasser gefallen ist. In nur einer Zehntelsekunde – einer Reaktionszeit, die doppelt so schnell wie die eines Menschen ist – bringt er seinen Körper in Position, bereit zu seiner Beute zu sprinten. Dabei richtet er sich nicht auf die augenblickliche Position der Beute aus, sondern visiert den vorhergesagten (oder vorausberechneten) Landepunkt an. Das bedeutet, dass der Bogenschützenfisch den Auftreffpunkt seiner Beute aus der Höhe, der Geschwindigkeit und dem Winkel, in dem sie sich bewegt, vorausberechnet.3 Der kreationistische Biologe Dr. David Catchpoole kommentiert:

Darüber hinaus kennt der Bogenschützenfisch nicht nur die Richtung, sondern auch die Entfernung und wählt seine Anfangsgeschwindigkeit im Sprint so, dass er nur etwa eine zwanzigstel Sekunde nach dem Aufprall sein Ziel erreicht.
„Dies bedeutet, dass das Gehirn des Schützenfisches zu komplexer Mathematik (Trigonometrie und Integral- und Differentialrechnung) fähig ist. Aber die für diese Berechnung erforderliche Programmierung ist sehr fortschrittlich und wäre auch nutzlos, wenn sie nicht voll funktionsfähig wäre.“4

Darüber hinaus kennt der Bogenschützenfisch nicht nur die Richtung, sondern auch die Entfernung und wählt seine Anfangsgeschwindigkeit im Sprint so, dass er nur etwa eine zwanzigstel Sekunde nach dem Aufprall sein Ziel erreicht.5

Superstrahl

Die Wunder des Bogenschützenfisches enden jedoch nicht mit der Genauigkeit. Er nutzt nämlich auch die oft unterschätzten einzigartigen Eigenschaften des Wassers,6 um einen Strahl zu erzeugen, der stark genug ist, seine fest verankerte Beute herunterzuholen.7 Sitzende Insekten werden normalerweise mit einer Kraft festgehalten, die etwa das Zehnfache ihres Gewichts beträgt, oft mit ausgeklügelten Haftmechanismen, die sowohl Hydraulik als auch Mechanik nutzen.8,9 Der Hauptteil des Wasserstrahls wird während des Fluges tatsächlich schneller und bündelt sich kurz vor dem Auftreffen. Da es sich bei dem Projektil um Wasser handelt, ist der Aufprall auf das Insekt unelastisch, und überträgt so viel kinetische Energie wie möglich vom Projektil auf das Ziel. Das Ergebnis ist, dass die Kraft des Aufpralls auf das Insekt zehnmal stärker ist als die Verankerungskraft, die das Insekt festhält.10

Es ist also nur die Kombination der Effekte, die den Strahl so effektiv macht. Dies ist wohl ein weiteres Beispiel für eine Funktionalitätsschwelle – das heißt, der ganze Mechanismus würde nicht funktionieren, wenn nicht mehrere Untermechanismen gleichzeitig vorhanden wären.

Der Strahl ist aus zwei Gründen so stark. Der eine Grund ist die hohe Oberflächenspannung des Wassers. Das ist eine Kraft, die dadurch entsteht, dass sich die Wassermoleküle gegenseitig anziehen und somit die Oberfläche möglichst klein gehalten wird. Dieser Effekt macht einen Flüssigkeitsstrahl jedoch instabil, Plateau-Rayleigh-Instabilität genannt.11 Selbst der glatteste Strahl weist noch winzige Unregelmäßigkeiten wie kleine Beulen und Dellen auf. Die Oberflächenspannung zieht die Dellen noch weiter zusammen, bis sie soweit abgeschnürt werden, dass der Strom in einzelne Tropfen zerfällt. Dies wäre jedoch kontraproduktiv, da die Kraft des Wassers auf die einzelnen Tropfen verteilt würde.

Daher nutzt der Bogenschützenfisch einen zweiten Effekt, der als kinematisches Sammeln bezeichnet wird. Er steuert die Kraft des Strahls, sodass die hinteren Tropfen sich schneller bewegen als die vorderen. In der Nähe des Ziels holen die schnellen, hinteren Tropfen die langsamen, vorderen Tropfen ein. Sie verschmelzen und vereinen sowohl ihre Masse als auch ihre Geschwindigkeit zu einem großen, schnellen Tropfen.

Der kinematische Sammelprozess allein, ohne den Effekt der Plateau-Rayleigh-Instabilität, wäre ebenfalls wirkungslos, da sich der Strahl lediglich verbreitern würde. Ein Großteil davon würde nicht auf die Beute treffen, sodass die Energie verschwendet würde. Es ist also nur die Kombination der Effekte, die den Strahl so effektiv macht. Dies ist wohl ein weiteres Beispiel für eine Funktionalitätsschwelle – das heißt, der ganze Mechanismus würde nicht funktionieren, wenn nicht mehrere Untermechanismen gleichzeitig vorhanden wären. (Diese müssten nach der Evolutionstheorie auch alle gleichzeitig entstehen. Fehlt nur ein Teil, ist der Mechanismus insgesamt nutzlos und setzt sich nicht durch. Anm. d. Übers.) Die bei diesem Vorgang freigesetzte Kraft ist, im Verhältnis zum Gewicht, fünfmal größer als sie irgendein anderes Wirbeltier durch Muskelkraft hervorbringen könnte.7

Schlussfolgerung

Der Physiker Dr. Aatish Bhatia fasst zusammen:

„Der Bogenschützenfisch geht mit fundierten Kenntnissen über Bewegungsabläufe, Schwerkraft, Optik und Strömungsdynamik auf die Jagd und löst mühelos Probleme, die selbst einen Physikstudenten nächtelang wachhalten könnten. Er nutzt die Wissenschaft, um sich selbst übermenschliche (oder besser gesagt: superfischartige) Kräfte zu verleihen –wie der Habicht im Tierreich trifft er immer ins Schwarze und es gehen ihm nie die Pfeile aus.“12

Darüber hinaus könnte das Design des Bogenschützenfisches in Zukunft auch menschlichen Konstrukteuren helfen, wie das Forschungsteam schreibt:

„Dieser Prozess [kinematisches Sammeln] ähnelt dem, der bei der Erzeugung von Tröpfchen beim Drop-on-Demand-Tintenstrahldruck stattfindet, einem technologischen Bereich, der noch weitgehend von experimentellen Entwicklungen angetrieben wird und der potenziell von der Nachahmung der Bogenschützenfische profitieren kann.“7

Wenn es schon so viel Einfallsreichtums braucht, den Tintenstrahldrucker zu kopieren, wie viel mehr Einfallsreichtum war dann nötig, um das Original herzustellen?13 Zeugt dies nicht von einem Meisterdesigner?

Referenzen und Anmerkungen

  1. Familie Toxotidae, bestehend aus sieben Arten der Gattung Toxotes (Cuvier 1816). Zurück zum Text.
  2. Berechnet nach dem Snell‘schen Brechungsgesetz, nasin(i) = nwsin(r), wobei n der Brechungsindex (1 für Luft und 1,33 für Wasser) ist; i ist der Einfallswinkel, gemessen relativ zur Senkrechten oder Normalen (90° - (Winkel zur Horizontalen)), und r ist der Brechungswinkel. Zurück zum Text.
  3. Rossel, S., Corlija, J. und Schuster, S., Predicting three-dimensional target motion: how archer fish determine where to catch their dislodged prey, Journal of experimental Biology 205(21):3321–3326, 1. November 2002. Zurück zum Text.
  4. Catchpoole, D., Aim, spit and catch, Creation 25(2):43, 2003; creation.com/archer. Zurück zum Text.
  5. Wöhl, S. und Schuster, S., Hunting archer fish match their take-off speed to distance from the future point of catch, Journal of experimental Biology 209(1):141–151, 1. Januar 2006 | doi: 10.1242/jeb.01981 . Zurück zum Text.
  6. Sarfati, J., Die Wunder des Wassers, Creation 20(1):44–47, 1997; creation.com/ the-wonders-of-water-german. Zurück zum Text.
  7. Vailati, A., Zinnato, L., Cerbino, R., How archer fish achieve a powerful impact: hydrodynamic instability of a pulsed jet in Toxotes jaculatrix, PLoS One 7(1): e47867 | doi: 10.1371/journal.pone.0047867 . Zurück zum Text.
  8. Federle, W. et al., Biomechanics of the movable pretarsal adhesive organ in ants and bees, Proceedings of the National Academy of Sciences USA 98(11):6215–6220, 22. Mai 2001 | doi: 10.1073/pnas.111139298 . Zurück zum Text.
  9. Sarfati, J., Startling stickiness: How ants and bees adhere with amazing machinery, Creation 24(2):37, 2002, creation.com/stickiness. Zurück zum Text.
  10. Vailati et. al., Ref. 7, schreiben: „Die Kraft beim Aufprall hat einen durchschnittlichen Wert von etwa 200 mN [Millinewton]. Die Verankerungskraft von Insekten wie Fliegen und Wanzen ist bei Proben mit einer Körpermasse bis zu 100 mg [Milligramm] typischerweise kleiner als 20 mN, mit Spitzenwerten von etwa 40 mN bei Käfern.“ Zurück zum Text.
  11. Nach dem belgischen Physiker Joseph Plateau (1801-1883) und dem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten englischen Physiker und Kreationisten Lord Rayleigh (John William Strutt 1842-1919). Zurück zum Text.
  12. Bhatia, A., The fluid dynamics of spitting: how archerfish use physics to hunt with their spit, wired.com, 29. November 2013. Zurück zum Text.
  13. Schlussbemerkung: Warum sollte ein guter Designer etwas konstruieren, das dazu dient, Insekten zu töten und zu fressen? Die Antwort ist: Erstens könnte ein solches System vor dem Sündenfall nützlich sein, um Pflanzenmaterial als Nahrung herabzuschießen, bevor Gott den Boden und die Vegetation verfluchte (1. Mose 3,17). Zweitens hat Gott den Sündenfall vorausgesehen, und so programmierte er Funktionen in seine Lebewesen hinein, die in einer gefallenen Welt nützlich sein würden. Und drittens sind Insekten wahrscheinlich ohnehin keine „Lebewesen“ im biblischen Sinne des hebräischen Wortes nephesh chayyāh (נפשהיה); Dr. Catchpoole hat sie als „Gottes Roboter“ bezeichnet (persönliche Mitteilung). Zurück zum Text.