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Die Gelenke der Käfer - Ingenieurskunst im Insektenreich

Gelenke sollen optimal funktionieren, weder schwergängig werden noch vorzeitig verschleißen. Wo Knochen und Knorpel ein Gelenk bilden, sorgt eine zähe Flüssigkeit, Gelenkschmiere genannt, für möglichst reibungslose Bewegung. Anders verhält sich das bei Insekten, die kein inneres Skelett haben, sondern ein äußeres. Sie hüllen sich vollständig in ein komplexes Verbundmaterial aus Chitinfasern und Proteinen, das teils als harter Panzer, teils als dehnbare und faltbare Membran daherkommt. Als Teil dieser sogenannten Kutikula sind auch die Gelenke nach außen offen, statt in einer abgeschlossenen Kapsel mit Schmiermittel zu stecken. Wie es Insekten dennoch gelingt, ziemlich reibungslos unterwegs zu sein, haben Zoologen um Konstantin Nadein von der Universität Kiel untersucht.

Als handliches Forschungsobjekt diente den Wissenschaftlern der Große Schwarzkäfer (Zophobas morio). Dieser etwa zwei Zentimeter große Verwandte des Mehlkäfers stammt aus Süd- und Mittelamerika. Hierzulande sind vor allem seine Larven als Futter für Heimtiere vom Gecko bis zur Wüstenrennmaus gefragt, ähnlich wie die als „Mehlwürmer“ bekannten Larven des Mehlkäfers. Experimentierfreudige Zeitgenossen setzen Larven des Großen Schwarzkäfers sogar auf den eigenen Speiseplan.

Nadein und seine Kollegen interessierten sich in ihren Studien für das Kniegelenk des erwachsenen Käfers. Mit der Mikro-Computertomographie rekonstruierten die Forscher, wie das obere Ende des Unterschenkels in eine Vertiefung des Oberschenkels hineinragt: Zwei halbkugelige Gelenkfortsätze greifen dort in die konkaven Gegenstücke des Unterschenkels. Der Unterschenkel rotiert um die so gebildete Achse, sobald Muskeln im Oberschenkel entsprechend aktiviert werden. Auf den Kontaktflächen des Kniegelenks konnten die Forscher mit einem Rasterelektronenmikroskop eine Vielzahl von Poren ausmachen, deren Durchmesser durchschnittlich einen tausendstel Millimeter beträgt.

Mikrometerdicke Stränge aus Protein-Gelenkschmiere

Dass die Kutikula an verschiedenen Stellen von hauchdünnen Kanälen durchzogen wird, ist bekannt. Insekten können sich dank solcher Verbindungen zwischen der Haut und der Oberfläche ihres Körpers nicht nur mit wachsartigen Sekreten vor Austrocknung schützen. Über Poren in ihrer Kutikula scheiden sie auch Pheromone aus, die das andere Geschlecht anlocken, und Antibiotika, die Pilze und Bakterien in Schach halten. Was dagegen aus den Poren im Kniegelenk des Großen Schwarzkäfers quillt, erinnert an Fugenmasse, die aus einer Kartusche gedrückt wurde. Allerdings im Miniaturformat: Unter dem Rasterelektronenmikroskop wurden Stränge sichtbar, die maximal einen Mikrometer dick und hundert Mikrometer lang waren. Die meisten waren jedoch in zylindrische Fragmente zerbrochen, die stellenweise Klumpen bildeten.

Gemeinsam mit Jan Thøgersen und Tobias Weidner vom Fachbereich Chemie der Universität Aarhus nahmen die Kieler Zoologen auch die physikalischen und chemischen Eigenschaften der mutmaßlichen Gelenkschmiere unter die Lupe. Analysen mithilfe der Infrarot-Spektroskopie zeigten, dass diese Substanz hauptsächlich aus Proteinen besteht. Im Gegensatz zu anderen Sekreten, die durch die Kutikula dringen, scheint sie kaum fettartige Komponenten zu enthalten. Obwohl überwiegend aus Eiweiß aufgebaut, ist die mutmaßliche Gelenkschmiere des Großen Schwarzkäfers mit einer Schmelztemperatur von mehr als 100 Grad Celsius bemerkenswert hitzefest. Bei Raumtemperatur ließen sich nach mehreren Tagen noch keinerlei Anzeichen von Verdunstung oder Zersetzung erkennen; und weil das Sekret aus dem Kniegelenk des Käfers nicht wasserlöslich ist, kann ihm auch hohe Luftfeuchtigkeit nichts anhaben.

Gleichzeitig Schmiermittel und Stoßdämpfer

Die filigranen Proteinstränge, so stellte sich heraus, reduzieren die Gleitreibung zwischen zwei Glasflächen ebenso stark wie Teflon. Das lässt darauf schließen, dass sie im biologischen Kontext tatsächlich als Gelenkschmiere fungieren. Nach Einschätzung von Nadein und Kollegen wirken die zylindrischen Stränge bei geringer Belastung wahrscheinlich wie Rollen, über die der Gelenkkopf und die Gelenkpfanne in entgegengesetzte Richtungen gleiten. Verengt sich der Gelenkspalt durch besonders starken Druck, dürften sich die Proteinstränge plastisch verformen und als Stoßdämpfer wirken. Auf jeden Fall verhindern sie einen unmittelbaren Kontakt zwischen dem konvexen und dem konkaven Teil des Gelenks, was den Verschleiß dieser Oberflächen wohl beträchtlich mindert.

Wenn die Proteinstränge aus den Poren quellen, neigen sie dazu, in kürzere Abschnitte zu zerfallen. Deshalb reichen vermutlich sehr geringe Mengen aus, um die gesamte Gelenkfläche mit diesem gar nicht so schmierigen Schmiermittel zu versorgen. Außerdem verteilen sich kleine Schnipsel gleichmäßiger und können besser in schmale Spalten eindringen als lange Stränge desselben Materials. Wie sehr sich solche Gelenkschmiere im Laufe der Evolution bewährt hat, bezeugen nicht nur verschiedenartige Käfer, darunter Wasserkäfer, in deren Gelenken ebenfalls zylindrische Proteinstränge entdeckt wurden. Auch Schaben, als urtümliche Insektenordnung mit den Käfern nur sehr weitläufig verwandt, verwenden Gelenkschmiere dieses Typs.

Was Insekten seit mehr als 300 Millionen Jahren erfolgreich nutzen, taugt womöglich als Anregung für Ingenieure, die Bauteile der Mikrosystem-Technik entwickeln. Wenn mechanische Komponenten solcher Systeme mikroskopisch klein werden, lässt sich mit konventionellen Schmiermitteln oft wenig ausrichten: Neuartige Mittel sind gefragt, die auch im Mikrobereich funktionieren. Für die Konstruktion mobiler Roboter seit jeher inspirierend, könnten Insekten dafür als Vorbild dienen. Schließlich sind die meisten keine Eintagsfliegen. Mitunter monatelang herumzukrabbeln oder zu hüpfen erfordert entsprechend strapazierfähige, langlebige Gelenke.

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