Weit mehr als ursprünglich erhofft hat eine Kooperation von Optotechnikern der Hochschule Darmstadt und Ökologen der TU Darmstadt hervorgebracht. Gemeinsam haben sie ein Gerät entwickelt, das helfen kann, Insektenpräparate zu bewahren, die sonst für immer verloren zu gehen drohen. Mehr noch: Seine Methodik macht den Darmstädter Insektenscanner weltweit einmalig.

Von Daniel Timme, 11.4.2018

Sie kriechen, krabbeln und fliegen mehr und mehr in den Fokus der Öffentlichkeit: Insekten. Zunehmend dringt ihre herausragende Bedeutung für unseren Planeten ins kollektive Bewusstsein vor. Vom Sterben der Bienen ist zu lesen, deren emsiges Schaffen für Natur und Mensch so essenziell ist. Vom beängstigenden Rückgang der Artenvielfalt ist zu hören und von den Folgen der intensiven Landwirtschaft. Wenn wir nicht bestimmte Verhaltensweisen ändern, werden unsere Nachkommen viele Insekten nicht mehr fliegen und krabbeln sehen, die wir als Kinder noch auf dem ausgestreckten Finger von allen Seiten betrachten konnten. Ähnliches, aber mit wissenschaftlichem Tiefgang, vollbringt ein technisches Gerät, das eine Kooperation von h_da und TU Darmstadt hervorgebracht hat. Der „DISC3D“ (Darmstadt Insect Scanner 3D) rückt, ganz im Wortsinn, Insekten in den Fokus, um sie in all ihren Facetten zu erfassen. So könnte der Darmstädter Insektenscanner zum Erhalt des Wissens über die Arten beitragen.

Michael Heethoff, promovierter Biologe, gehört der Arbeitsgruppe Ökologische Netzwerke der TU Darmstadt an. Der Ökologe und Insektenkundler befasst sich unter anderem mit morphologischen Untersuchungen zur Biodiversität. Morphologie ist die Wissenschaft von der äußeren Gestalt der Lebewesen. Biodiversität bezeichnet die biologische Vielfalt der lebenden Arten. Zum Instrumentarium von Heethoff und Kollegen bei der Untersuchung des weltweiten Insektenbestands zählen hochmoderne Röntgen-Tomographen. „Aber es gab bisher kein einfaches, leicht zugängliches Messverfahren, um beispielsweise Oberfläche und Volumen von Insekten zu bestimmen“, erklärt der 45-Jährige. Ein solches Werkzeug wurde bislang vermisst, denn beide Größen sind wichtige Faktoren, um die Physiologie der Arten zu verstehen. „Ein Kollege, der an der h_da studiert hat, gab mir den Tipp, deshalb die dortigen Optotechniker zu kontaktieren“, blickt Michael Heethoff zurück. Wenige Wochen nachdem Heethoff im September 2014 eine E-Mail an die h_da geschrieben hatte, kam es zu einem ersten Treffen. Neben Heethoff und seinen Kollegen Sebastian Schmelzle und Nico Blüthgen saßen die h_da-Professoren Stephan Neser und Bernhard Ströbel vom Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften mit am Tisch. Sie diskutierten und taxierten mögliche Lösungsansätze. Am vielversprechendsten erschien dabei der von Stephan Neser vorgeschlagene Ansatz: die Mehrbild-Stereophotogrammetrie, auch unter dem Namen „Structure from Motion“ bekannt. „Aus unseren Erfahrungen in der optischen 3D-Messtechnik heraus schien uns dieses Verfahren am geeignetsten“, sagt Ströbel.

Physiker Bernhard Ströbel, mit damals 65 Jahren in seinem letzten Dienstsemester im Fachgebiet Optotechnik und Bildverarbeitung, verfolgte das Projekt auch im offiziellen Ruhestand weiter. Mit der Anschubhilfe von Stephan Neser nahm das federführend von Heethoff und Ströbel betreute Vorhaben nun Fahrt auf. Zwei TU-Studierende bauten ab Ende 2014 im Rahmen eines Praktikums an der h_da einen ersten provisorischen Messplatz auf. Die Chemie zwischen den Darmstädter Wissenschaftlern stimmte, erzählt Michael Heethoff. „Unsere Disziplinen haben eigentlich keine nennenswerte Schnittmenge an Wissen und Vokabular. Da ich mich aber auch schon seit vielen Jahren mit der 3D-Bildgebung beschäftige, klappte die Zusammenarbeit hervorragend.“

Viele dieser Versuche entpuppen sich jedoch als sehr aufwändig oder führen zu qualitativ unbefriedigenden Ergebnissen. Dort, wo die Präparate lediglich aus zwei oder drei Perspektiven abfotografiert werden, blieben viele Merkmale im Ungefähren, die es braucht, um Arten voneinander zu unterscheiden, sagt Michael Heethoff – zum Beispiel die Länge der Beinglieder oder die Formen der Mundwerk­zeuge. Solche Facetten macht der Darmstädter Insektenscanner sichtbar. Seine Aufnahmen lassen Härchen, Flügelstrukturen oder Farben detailliert erkennen. Die Fachleute können die aus den Bildda­ten generierten Modelle der Insekten am Bildschirm drehen, wenden und inspizieren. Zudem lassen sich die digitalisierten Informationen speichern und weltweit teilen. Damit könnte der DISC3D den Wis­senstransfer über die Artenvielfalt befeuern. Michael Heethoff glaubt, dass dadurch auch in der Ökologie mehr möglich wird. Lange Zeit seien vor allem beschreibende Artenlisten erstellt und ge­führt worden, sagt er. „Inzwischen richtet sich der Blick verstärkt auf sich verändernde Merkmale in Ökosystemen und ihren Organismen. Diese werden in Bezug zu Phänomenen und Einflussfaktoren wie Klimaerwärmung und zunehmender Landnutzung gesetzt.“ Auf Grundlage der dreidimensionalen Ansichten aus dem Insektenscanner, die auch zahl­reiche kleinere Merkmale erkennen lassen, lasse sich nun weit besser nachvollziehen, wie diese sich verändert haben. „Jetzt können wir diese Veränderungen aus sich gleichzeitig ändernden Rahmenbedingungen heraus zu erklären versuchen.“ Über die tatsächlichen Ursachen solcher Veränderungen könne letztlich auch die Evolutionsbiologie keine definitive Aussage treffen. „Aber durch eine solche Be­trachtung lassen sich nun potenziell Mechanismen erkennen – und nicht nur Muster.“

Die Methodik des Darmstädter Ansatzes hebt sich von den anderen Bemühungen zur Digitalisierung von Insektenpräparaten ab, weil erstmals zwei Techniken kombiniert werden: die automatische allseitige Erfassung und das Scannen mit erweiterter Schärfentiefe. „In dieser Hinsicht bietet unser Scanner einen großen Vorteil beim Digitalisieren von Sammlungen“, sagt Michael Heethoff. „Zum einen muss man das empfindliche Präparat nicht mehr in die Hand nehmen und umnadeln, also in einer an­deren Position montieren. Zum anderen läuft der Scanvorgang automatisiert ab.“ Aufwand und Ar­beitszeit reduzieren sich so entscheidend.

„Wir sind damit die Einzigen, die routinemäßig 3D-Modelle von Insekten erstellen können“, sagt Bernhard Ströbel. Und das läuft so ab: Das genadelte Präparat wird im Zentrum zweier Halbkugeln montiert, wo es gleichmäßig mit indirektem Licht ausge­leuchtet wird. Nun wird das Insekt von Schrittmotoren in regelmäßigen Abständen um zwei Achsen gedreht. „Es wird in etwa 400 verschiedene Posen vor der Kamera gebracht“, sagt Bernhard Ströbel. In jeder Pose fährt die Kamera auf einem Makroschlitten vor und zurück und macht Aufnahmen, bei denen jeweils eine Ebene des Präparats scharf abgebildet wird. Die so entstehenden rund 25.000 Bilder werden miteinander verrechnet. Daraus werden die Bilder mit erweiterter Schärfentiefe sowie farb-und größengetreue dreidimensionale Modelle der Präparate generiert. „Wir bestücken das Gerät und geben einige Parameter per Tastatur ein. Der Scan läuft dann automatisch ab – ohne, dass jemand anwesend sein muss“, erklärt Ströbel. „Das macht, soweit wir nach Prüfung der Quellen wissen, unseren Scanner weltweit einmalig.“

Die anfallenden Datenmengen sind erheblich. „Würden wir die Rohdaten der Bilder speichern, wäre das bei jedem einzelnen Scan ein halbes Terabyte, also 500 Gigabyte“, sagt Bernhard Ströbel. Deshalb werden die Daten schon parallel zur Vermessung weiterverarbeitet und ihre Menge dabei reduziert. Die fertigen Aufnahmen eines Präparats samt 3D-Modell beanspruchen durchschnittlich nur noch 600 bis 700 Megabyte. „Was uns derzeit noch Probleme macht, sind besonders feine Körperteile. Härchen, Borsten und die wahnsinnig dünnen, durchsichtigen Flügel dreidimensional zu modellieren, ist sehr schwierig“, räumt Ströbel ein. Zudem seien teil­weise verdeckte Körperteile oder Details an beson­ders dunklen Insekten mitunter schwer zu erfassen. „Aber an beidem arbeiten wir.“

„Im Januar brauchten wir noch bis zu zehn Stunden, inzwischen maximal fünf Stunden für einen Scan“, beziffert Bernhard Ströbel die aktuell nötigen Messzeiten. Dabei gilt: Je kleiner, desto länger. „Da kleine Insekten stark vergrößert abgebildet werden, spielt hier die geringe Schärfentiefe eine besonders große Rolle“, erklärt Ströbel. Das Gros der Zeit beansprucht die Berechnung der Bilder. „Das ist im Wesentlichen eine Frage von Rechenkapazität und Software. Unser Ziel ist es, einen Scan in weniger als einer Stunde zu schaffen – und das möglichst noch mit verbesserter Auflösung!“

Und noch eine spannende Anwendung böten die vom DISC3D erstellten Datensätze, sagt Bernhard Ströbel, nämlich 3D-Prints. „Wir haben testweise einen Käfer im Maßstab 10:1 gedruckt. Das sieht schon beeindruckend aus. Und natürlich lassen sich auch größere Modelle ausdrucken.“ Noch besteht beim 3D-Druck das generelle Problem, dass die Objekte nicht in Echtfarben ausgegeben werden. Doch auch hieran arbeiten bereits Spezialisten. Ströbel kann sich vorstellen, dass der DISC3D in Verbindung mit 3D-Druck in der Museumspädagogik Verwendung finden wird. Modelle von krabbelndem und fliegendem Getier könnten große wie kleine Besucher in den Bann ziehen.

Mit der kürzlich erfolgten Publikation im zoologischen Online-Fachjournal „ZooKeys“ ist der Stein ins Wasser geworfen. Die Väter des Darmstädter Insektenscanners werden gespannt verfolgen, welche Kreise die Entwicklung in Wissenschaft und Öffentlichkeit zieht. Vielleicht wird ja sogar eine kleine Aufmerksamkeitswelle daraus – die am Ende auch den arbeitsamen Insekten zugutekommt.