«WENN GOTT GEWOLLT hätte, dass Tiere Räder haben, hätte er zuerst Strassen gebaut», meint der amerikanische Biologe Richard McCourt. Auch ohne Bezug zum lieben Gott ist das Vorhandensein von Strassen oder Schienen für den Gebrauch von Rädern in der Tat fast unentbehrlich, denn je härter und flacher eine Unterlage, desto kleiner der Rollwiderstand. Wer mit dem Velo den Asphalt verlässt und über Schotter oder Sand fährt, bemerkt das Handicap sofort. Und wo sich Fels und Berg dem Rad entgegenstellen, braucht es für freie Fahrt Strassenkehren, Tunnels und Brücken.
Wie nützlich Räder sein können, haben bereits die alten Ägypter mit ihren Streitwagen und die Römer mit dem Schwerverkehr auf Ochsenkarren gezeigt. Als dann in den ersten Jahrhunderten nach Christus das Römische Reich aus den Fugen geriet, verlotterten im Imperium auch die Strassen. Im Nahen Osten und in Nordafrika avancierte das Kamel wieder zum universellen Transportmittel.
Falls man in der Natur rollende Fortbewegung finden will, muss man also an Orten mit festem, flachem Untergrund suchen, zum Beispiel in Savannen oder Steinwüsten. Dort lebt tatsächlich ein Tier, das das Geheimnis des Rollens kennt: der Skarabäus oder Pillendreher. Dieser Käfer formt den Kot von pflanzenfressenden Säugetieren zu Kugeln, die er mit den Hinterbeinen hurtig von dannen rollt, bis zu einem unterirdischen Versteck. Dort dient ihm der Dung entweder als persönlicher Fressvorrat oder zur Aufzucht der Brut. Die Mistkugel des Pillendrehers kann ohne weiteres fünf Zentimeter hoch sein - dreimal so hoch und zwanzigmal so schwer wie der Käfer selber. Wenn der Schwertransport mit flotten 20 Zentimetern pro Sekunde vor sich geht, wird die Effizienz der rollenden Transportweise offensichtlich.
In den Sanddünen der Namib-Wüste im südwestlichen Afrika erforschte der Biologe Joh Henschel im Jahre 1990 ein lebendes Rad: Carparachne aureoflava, die Goldene Radspinne. Sie haust auf den mächtigen Sanddünen, wo sie als Versteck bis zu 50 Zentimeter tiefe Röhren schräg in den Hang baut. Das ist im lockeren Sand ein schwieriges Unterfangen. Die Spinne schafft es, indem sie während des bergmännischen Vortriebs die Tunnelwand laufend mit Seide stabilisiert. Zum Schutz vor Feinden verschliesst sie den Eingang mit einer Tür aus einem Gemisch von Sand und Seide. Nachts geht sie auf Jagd und holt sich kleine Insekten; gelegentlich erwischt sie auch einen Schwarzkäfer oder einen Gecko.
Der Todfeind der Goldenen Radspinne sind die Wespen der Familie Pompilidae. Unermüdlich suchen die Weibchen dieser schwarzen Wegwespen die Dünen nach Radspinnen ab. Finden sie eine Seidentür, brechen sie ins Versteck ein. Die Spinne verteidigt sich in der engen Röhre mit den Vorderbeinen oder reisst notfalls die stützende Seidenarmierung aus der Wand. Kann sie so die erste Attacke abwehren, geht die Wespe zur Fleissarbeit über und buddelt oberhalb des Spinnenverstecks einen Trichter in den Hang. Sie gräbt stundenlang, um im rieselnden Sand ans Ziel zu kommen. Für einen 15 Zentimeter tiefen Krater muss sie mit den blossen Beinen 5 Kilogramm Sand aus dem Hang schaufeln - immerhin das 80 000fache ihres Körpergewichts von 60 Milligramm.
Ist der Wespe der Einbruch gelungen, packt die Spinne ihre letzte Chance. Sie hetzt am Feind vorbei zum Kraterrand, spurtet ein Stück weit den Dünenhang hinunter und wirft sich blitzartig auf die Seite, die acht Beine jeweils am dritten Gelenk zum Körper hin angewinkelt: Aus der Spinne ist ein Rad geworden. Auf dem Kranz ihrer Beingelenke rollt sie hangabwärts und wird dabei immer schneller. Joh Henschel hat bis zu 44 Umdrehungen pro Sekunde gemessen - die Radrotation eines Ferraris bei 300 Kilometern pro Stunde. So wirbelt die Radspinne in 10 Sekunden mühelos um die 10 Meter weit und kippt vielleicht erst nach einer Rennstrecke von 100 Metern am Fuss der Düne wieder auf die Beine. Die Wespe scheint die rollende Spinne förmlich aus den Augen zu verlieren, denn obwohl sie fliegen kann, findet sie ihre Beute nicht wieder.
Wie lebensrettend die Rolltechnik für die Spinne ist, zeigt sich, wenn der Dünenhang für das Radschlagen zu flach ist. Da bleibt der Spinne zum Fliehen nur der konventionelle Sprint. Schon nach knapp zwei Metern muss sie mehrere Sekunden lang Atem holen. Eine tödliche Pause, denn schon ist die Wespe bei ihr und sticht sie in den weichen Leib. Das Gift lähmt das Opfer blitzartig, ohne es zu töten. Dann vergräbt das Wespenweibchen die Spinne im Sand und legt ein Ei auf den scheintoten Körper; die schlüpfende Larve hat Verpflegung in bester Frische vor dem Maul.
So beeindruckend die Rollkunst der Radspinne auch sein mag, für Technikpuristen ist dies kein richtiges Rad. Der Witz der Erfindung sei doch, dass man auf Rädern Lasten fortbewegen könne, wenden sie ein, und dazu musste der denkende Mensch erst Radlager und Achse konstruieren, also Bauelemente, mit denen sich freidrehende Räder an starren Objekten festmachen lassen. Funktioniert dies beim Karren dank Schmiere recht gut, ergibt sich bei lebender Materie ein Riesenproblem: Wie können biologische «Räder» vom Körper mit den nötigen Nährstoffen versorgt werden? Blutgefässe würden sich schon nach wenigen Umdrehungen hoffnungslos um die Radachse wickeln. Deshalb können wir unseren Arm zwar tüchtig schwingen, er lässt sich aber nur sehr begrenzt um seine Längsachse am Schultergelenk rotieren.
Trotzdem haben Forscher in der lebenden Natur ein sich in einem Lager drehendes Element gefunden. Es handelt sich sogar um einen Motor, der von dem Lebewesen, das über ihn verfügt, aktiv angetrieben wird. Bereits vor einer Milliarde Jahren haben Bakterien für die Fortbewegung am Körperende eine schraubenförmig gebogene Flagelle entwickelt, die sich in einem ringförmigen Lager dreht und so den Mikroorganismus vorwärts schiebt. Bakterien haben einen Durchmesser von etwa einem Mikrometer (Tausendstelmillimeter) und lassen sich im herkömmlichen Lichtmikroskop gut beobachten. Die Flagellen sind sogar zehn Mikrometer lang, aber lediglich 0,02 Mikrometer dick und im Lichtmikroskop deshalb nicht mehr zu sehen. Solche Strukturen kann man mit dem Elektronenmikroskop sichtbar machen, aber nur an toten Präparaten und im Vakuum.
Es war vor allem der amerikanische Physiker Howard Berg, der durch raffinierte Experimente das Vorhandensein und Funktionieren des Bakterienmotors nachweisen konnte. Ihm gelang es in den siebziger Jahren, die Flagellen von Bakterien an eine Glasplatte zu «kleben». Prompt drehte sich das gesamte Bakterium um seine Längsachse - der Schwanz liess den Hund wackeln. Die Entdeckung eines biologischen Motors erregte gewaltiges Interesse und löste eine Flut von Forschungsprojekten aus. Mittlerweile weiss man recht viel über diese phantastische Erfindung der Natur. Wie der Motor im Detail funktioniert und wo die Rotationskraft erzeugt wird, ist jedoch noch immer rätselhaft.
Man hat den biologischen Motor an Darmbakterien erforscht, etwa an Kolibakterien und an Salmonellen. Ihr Antrieb kann mit über 100 Umdrehungen pro Sekunde rotieren (was einen Automotor mächtig aufheulen liesse). Wie es sich für ausgeklügelte Motoren gehört, können Bakterien ihre Flagellen auch im Rückwärtsgang laufen lassen. Manche Bakterien haben an beiden Enden des Zellkörpers je einen Motor. Damit können sie effizient in alle Richtungen manövrieren.
Molekularbiologen haben herausgefunden, dass der etwa 0,03 Mikrometer grosse Bakterienmotor aus über zwanzig verschiedenen Proteinen besteht. Man kennt auch dreissig Gene, die für den Bau und das Funktionieren des Motors verantwortlich sind. Die Flagelle ist über ein flexibles Bogenstück mit dem Motor verbunden, wobei ein Stift am Ende des Bogens in mehreren Ringen gelagert ist. Die Ringe schliesslich sind mit der Zellwand verbunden. Wo genau die komplizierte Konstruktion rotiert, ist noch unbekannt.
Man weiss aber, was den Motor antreibt. Als Energiequelle dienen Protonen (Wasserstoff-ionen), die aus dem Zellinnern durch die Zellmembran hindurch in den Motor diffundieren. Für eine einzige Flagellenumdrehung braucht es 1000 Protonen, die in nur 0,01 Sekunden durch die Zellmembran angeliefert werden. Dieser Energietransport ist möglich, weil eine Flüssigkeit mit hoher Ionenkonzentration ihre Ionen von Natur aus an einen Ort mit niedriger Ionenkonzentration abgibt.
Die Energieversorgung mittels Ionendiffusion kann nur im Mikrobereich funktionieren, denn Ionen oder Moleküle diffundieren als Energieträger und Nährstoff nur schnell genug ans Ziel, wenn die Distanzen nicht grösser als 0,1 Millimeter sind. Wahrscheinlich ist das der Grund, warum es rundlaufende biologische Motoren nur im Mikroraum gibt. Grössere Viecher würden für die Versorgung der rotierenden Teile ein Kreislaufsystem aus festen Leitungen brauchen, was eben eine total verwickelte Sache wäre.