Taiwanische Schülerin gewinnt Wissenschaftsgold für Studie zu kopflosen Kakerlaken und Phantomgliedmaßen

Ein Experiment im Badezimmer bringt ein Stipendium über 400.000 NT$

Xu Yi-chen hielt zu Hause mehr als 100 Kakerlaken und führte einen Großteil ihrer Forschung im Badezimmer der Familie durch. Ihre Frage war ungewöhnlich: Versucht ein Insekt weiterhin, einen Körperteil zu reinigen, nachdem dieser entfernt wurde?

Die Schülerin der städtischen Zhongshan-Mädchenschule in Taipeh stellte fest, dass Kakerlaken ohne Kopf oder Fühler weiterhin koordinierte Putzbewegungen in Richtung der Stellen ausführten, an denen sich diese Körperteile befunden hatten. Ihre Beobachtungen brachten ihr eine von zwei Goldmedaillen beim 25. Macronix Science Award ein, der am 7. November 2026 verliehen wurde. Dazu gehörte ein Stipendium über 400.000 NT$.

Die andere Goldmedaille ging an Xu Weicheng und Tu Chenghong von der Senior High School Chiayi. Sie untersuchten, wie schwimmende Salinenkrebschen die Form der Wasseroberfläche verändern. Ihr Projekt begann mit Lebendfutter für Guppys und entwickelte sich zu einer Forschung, die bei der Überwachung von Bedingungen in der Aquakultur helfen könnte.

Die beiden ausgezeichneten Arbeiten setzten sich gegen mehr als 800 Teams von 168 Schulen durch. Gemeinsam zeigen sie, wie die genaue Beobachtung vertrauter Tiere zu Fragen über zwei sehr unterschiedliche Systeme führen kann: die Nerven, die Bewegungen koordinieren, und die Kräfte, die bewegtes Wasser formen.

Was die Kakerlaken weiterhin taten

Xu untersuchte Amerikanische Großschaben. Mithilfe von Videoaufnahmen und einer quantitativen Analyse ihrer Bewegungen entwickelte sie ein Bewegungsmodell. Die Aufzeichnungen ermöglichten es ihr, Veränderungen im Verhalten der Insekten zu untersuchen, statt sich allein auf Beobachtungen in Echtzeit zu verlassen.

Kakerlaken putzen sich regelmäßig, um ihren Körper sauber zu halten. Xu beobachtete, dass die Tiere auch nach der Entfernung des Kopfes oder der Fühler weiterhin Putzbewegungen in Richtung der fehlenden Körperteile ausführten. Kopflosen Kakerlaken krümmten außerdem den Rücken und bewegten die Hinterbeine nach vorn in Richtung der früheren Position des Kopfes.

Diese Bewegungen interessierten Xu, weil sie Koordination erforderten. Mehrere Körperteile bewegten sich in einem Muster, das mit der Reinigung einer bestimmten Stelle verbunden war. Xu deutete das Verhalten so, dass es auf früheren Sinneserfahrungen beruhte und das Nervensystem Informationen darüber bewahrte, wo sich ein Körperteil befunden hatte.

Ihr Projekt mit dem Titel „Do Headless Cockroaches Still Have Phantom Limbs? Exploring Properties of the Neural Matrix Theory Through Cockroach Grooming Behavior“ untersuchte anhand dieses Verhaltens, wie das Nervensystem eines Tieres Bewegungsmuster speichert und ausführt.

Wie Bewegungen auch ohne Kopf weitergehen können

Xus Erklärung konzentrierte sich auf Strukturen, die als thorakale Ganglien bezeichnet werden. Ein Ganglion ist eine Ansammlung von Nervenzellen. Die thorakalen Ganglien befinden sich im Thorax des Insekts, dem mittleren Körperabschnitt, an dem die Beine ansetzen.

Das Nervensystem von Insekten verteilt einige Steuerungsfunktionen auf diese Zellverbände. Die Ganglien im Kopf arbeiten daher mit Nervenzentren an anderen Stellen des Körpers zusammen. Aus ihren Beobachtungen schloss Xu, dass die thorakalen Ganglien an der Steuerung des Putzverhaltens beteiligt sind.

Sie beschrieb diese Steuerung als zentralen Mustergenerator. Einfach ausgedrückt ist das ein Netzwerk aus Nervenzellen, das eine wiederkehrende Bewegungsfolge organisieren kann. Statt für jede einzelne Beinbewegung einen neuen Befehl zu benötigen, kann das Netzwerk ein koordiniertes Muster hervorbringen.

Das Krümmen des Rückens und die Vorwärtsbewegungen der Beine bei kopflosen Tieren veranlassten Xu zu der Annahme, dass einige Putzmuster auch ohne die Ganglien im Kopf ausgelöst werden können. Ihre Schlussfolgerung betrifft die Verteilung der Steuerung dieser Bewegungen im Nervensystem der Kakerlake.

Warum die Forschung Phantomgliedmaßen ins Spiel bringt

Bei Menschen sind Phantomgliedmaßen-Erfahrungen Empfindungen, die mit einem nicht mehr vorhandenen Körperteil verbunden sind. Xu übertrug diesen Vergleich auf eine beobachtbare Handlung: eine Kakerlake, die eine Stelle putzt, an der sich zuvor ein Körperteil befand.

Ihre Deutung bezog auch die Propriozeption ein, also den Sinn, mit dem ein Tier die Position seiner Körperteile wahrnimmt. Menschen nutzen diesen Sinn, wenn sie einen Arm bewegen, ohne hinzusehen. Bei einer Kakerlake helfen Informationen über die Stellung von Beinen und Körper dabei, das Putzverhalten zu koordinieren.

Xu schloss daraus, dass die thorakalen Ganglien räumliche Beziehungen speicherten, die mit diesem Sinn verbunden waren. Verständlich ausgedrückt schien das Nervennetz eine innere Körperkarte zu bewahren, einschließlich der Stellen, auf die Putzbewegungen weiterhin gerichtet werden konnten.

Sie verknüpfte diese Deutung mit der Theorie der neuronalen Matrix, die beschreibt, wie Netzwerke aus Nervenzellen zu einer inneren Repräsentation des Körpers beitragen. Die verfügbaren Angaben erwähnten Videoaufnahmen und quantitative Analysen, enthielten jedoch keine vollständige Beschreibung der Versuchsmethoden, der Gesamtzahl der Tiere, der Anzahl der Insekten in den einzelnen Versuchsgruppen, der Kontrollbedingungen oder der statistischen Ergebnisse.

Die Schülerin hinter dem ungewöhnlichen Experiment

Xu führte die meisten Experimente im Badezimmer ihres Elternhauses durch. Die Haltung und Beobachtung so vieler Kakerlaken wurde dadurch Teil ihres Alltags. Sie bezeichnete die Forschungszeit als schöne Erinnerung und sagte, sie hoffe, künftig noch mehr Grundlagenforschung betreiben zu können.

Xu, die Goldmedaillengewinnerin der Zhongshan-Mädchenschule, brachte ihre Zuneigung zu den Versuchstieren mit einer kurzen Beschreibung zum Ausdruck, hier aus dem Chinesischen übersetzt:

Sehr niedlich.

Von ihrem Geruch war sie weniger begeistert. Ihre Äußerungen verliehen einer Arbeit eine persönliche Note, die auf der genauen Beobachtung von Tieren beruhte, denen viele Menschen lieber aus dem Weg gehen.

Die wissenschaftliche Aufgabe bestand darin, aus den Beobachtungen etwas zu machen, das sich systematisch untersuchen ließ. Videoaufnahmen und die Messung von Bewegungen bildeten die Brücke zwischen der Entdeckung einer unerwarteten Handlung und einer Erklärung für die dahinterliegenden Nervenschaltkreise.

Salinenkrebschen machen Veränderungen an der Wasseroberfläche sichtbar

Für Xu Weicheng und Tu Chenghong aus Chiayi begann alles damit, junge Guppys zu füttern. Die als Lebendfutter verwendeten Salinenkrebschen sammelten sich unter einer Lampe, nachdem sie in ein Aquarium gegeben worden waren. Das brachte die Schüler dazu, ihre Bewegung hin zur Lichtquelle zu untersuchen.

Diese Reaktion wird Phototaxis genannt und bezeichnet eine Bewegung auf Licht zu oder von ihm weg. Das Team untersuchte, wie Gruppen von Krebschen, die auf eine Lichtquelle zuschwammen, das umgebende Wasser bewegten und dessen Oberfläche veränderten.

Mithilfe eines Mikroskops beobachteten die Schüler die Wasserströmung und die Verformung des Meniskus. Als Meniskus bezeichnet man die gekrümmte Oberfläche einer Flüssigkeit. Sie ist etwa an der leichten Erhebung oder Absenkung dort zu erkennen, wo Wasser auf den Rand eines Gefäßes trifft.

Die Schüler stellten einen Zusammenhang zwischen der Aktivität der Tiere und der Form der Oberfläche fest. Außerdem berichteten sie, dass helleres Licht und eine größere Zahl von Krebschen mit einem geringeren Druck nach unten auf die Wasseroberfläche einhergingen.

Tu sagte, niedrigere Temperaturen verringerten die Aktivität der Krebschen, wodurch sich wiederum der Meniskus veränderte. Das Projekt verknüpfte drei gemeinsam beobachtbare Aspekte: Umweltbedingungen, Tierbewegungen und die Form der Wasseroberfläche.

Könnte die Krebschen-Studie Fischzüchtern helfen?

Das Team aus Chiayi hofft, dass seine Ergebnisse die Überwachung in der Aquakultur unterstützen können. Der vorgeschlagene Ansatz würde Veränderungen an der Wasseroberfläche als Signal nutzen, dass die Umgebung der Tiere Aufmerksamkeit erfordert.

Für Fischzüchter läge der praktische Nutzen in einer frühzeitigen Warnung vor ungünstigen Aufzuchtbedingungen. Das Projekt deutete auf eine Überwachung von Veränderungen der Wasserqualität oder ungewöhnlichen Werten des gelösten Sauerstoffs hin, den Wassertiere zum Atmen nutzen.

Das Temperaturexperiment veranschaulicht die vorgeschlagene Abfolge: Kühlere Bedingungen verringern die Aktivität der Krebschen, veränderte Schwimmbewegungen verändern die Wasserbewegung, und die Oberfläche nimmt eine andere Form an. Ein auf diesem Zusammenhang aufbauendes Überwachungssystem soll eine kleine biologische Reaktion leichter erkennbar machen.

Beide Goldmedaillen-Projekte nutzten somit Bewegung als Informationsquelle. Xu untersuchte Beinbewegungen, um die Steuerung durch das Nervensystem zu erforschen. Die Schüler aus Chiayi untersuchten Schwimm- und Wasserbewegungen, um Rückschlüsse auf die Umwelt der Tiere zu ziehen. Für jedes der beiden ausgezeichneten Projekte gab es ein Stipendium über 400.000 NT$, insgesamt also 800.000 NT$ für die beiden Goldmedaillen.

Weitere Schüler untersuchten Zugwind und Nebelsammlung

Li Meng-che, Schüler der Senior High School der National Taiwan Normal University, ließ sich von dem Wind inspirieren, den er auf seinem Weg mit der U-Bahn spürte. In seinem Projekt untersuchte er den Kolbeneffekt im Tunnel: Dabei drückt ein fahrender Zug Luft durch einen begrenzten Tunnel.

Gemeinsam mit seinem Lehrer Li Po-han bat er die U-Bahn-Verwaltung von Taipeh um eine Genehmigung und maß Luftströmung und Windgeschwindigkeit. Er schlug vor, einen vertikalen Windrotor zur Nutzung eines Teils dieser Energie einzusetzen. Seiner vorläufigen Schätzung zufolge könnte die mögliche Leistung an einem einzigen Bahnhof ausreichen, um täglich 300 tragbare Powerbanks vollständig aufzuladen. Das Projekt erhielt eine Auszeichnung für hervorragende Leistungen.

Eine Silbermedaille ging an ein Team der Senior High School Hualien, das Ideen von Erhebungen auf dem Rücken eines nebelauffangenden Insekts und den Rillen von Farnen kombinierte. Die Schüler nutzten den 3D-Druck, um eine Sammelfläche herzustellen, die Tröpfchen aus Nebel auffangen soll.

Das Team berichtete, dass es in seinen Versuchen mehr Wasser sammelte als mit einem handelsüblichen Nebelkollektornetz. Wie beim Projekt zum Zugwind nahmen die Schüler einen beobachtbaren physikalischen Effekt und untersuchten eine praktische Nutzungsmöglichkeit.

Anerkennung für Lehrkräfte und Schulen

Vier Einrichtungen erhielten Schulpreise: die Senior High School Hualien, die Senior High School der National Taiwan Normal University, die Senior High School Lishan und die Senior High School Chiayi. Die Trophäen wurden vom Künstler Hu Tung-min gestaltet.

Sonderpreise für besondere Verdienste gingen an die Lehrkräfte Wu Shu-hsu, Yang Chen-tse und Li Po-han. Li hatte 122 Schülerteams in den Wettbewerb begleitet und erhielt die Auszeichnung zum zweiten Mal. Das verdeutlicht die kontinuierliche pädagogische Arbeit, die hinter einzelnen Schülerprojekten steht.

Der stellvertretende Bildungsminister Liu Guowei sagte, dass sich in diesem Jahr neben allgemeinbildenden Oberschulen auch technische Oberschulen und taiwanische Schulen im Ausland beteiligt hätten. Er beschrieb den Wettbewerb als Plattform, auf der Schüler ihre Forschungsfähigkeiten zeigen und Hochschulen Talente entdecken könnten.

Liu stellte außerdem einen Zusammenhang zwischen naturwissenschaftlicher Bildung und Taiwans Bemühungen her, junge Talente im Land zu halten. Er rief Regierung, Hochschulen und Industrie dazu auf, zusammenzuarbeiten, um die Chancen junger Menschen vom Studium und der Forschung bis hin zu Beschäftigung und Unternehmensgründung zu verbessern.

Wu Cheng-wen, Minister des Nationalen Wissenschafts- und Technologierats, rief in einer aufgezeichneten Ansprache zu praktischen Experimenten und Kreativität auf. Wu Minqiu, Vorsitzender der Macronix Education Foundation, sagte, die Stiftung werde weiterhin wissenschaftliche Talente fördern. Er äußerte die Hoffnung, dass Halbleitertechnologie zu medizinischen Produkten beitragen könne, die Menschen schützen und helfen.

Wichtigste Punkte

• Xu Yi-chen gewann beim 25. Macronix Science Award eine Goldmedaille für ihre Untersuchung von Putzbewegungen bei Kakerlaken nach der Entfernung des Kopfes oder der Fühler.
• Aus ihren Beobachtungen leitete sie die Annahme ab, dass thorakale Nervennetzwerke räumliche Informationen speichern und Putzbewegungen auch ohne die Ganglien im Kopf koordinieren können.
• Xu Weicheng und Tu Chenghong aus Chiayi teilten sich die andere Goldmedaille für ihre Forschung zum Zusammenhang zwischen den Schwimmbewegungen von Salinenkrebschen und Veränderungen der Wasseroberfläche.
• Bei der Verleihung am 7. November 2026 erhielt jedes ausgezeichnete Projekt ein Stipendium über 400.000 NT$.
• Mehr als 800 Teams von 168 Schulen nahmen teil. Weitere ausgezeichnete Projekte befassten sich mit der Stromerzeugung aus Luftströmungen in U-Bahn-Tunneln und der Wassergewinnung aus Nebel.