Wissenschaftler:innen der Hochschule Bremen (HSB) haben mit Hilfe einer Zentrifuge gezeigt, dass die Skelette von Insekten stärker werden, wenn diese unter höherer mechanischer Belastung aufgezogen werden. Diese grundlegende Erkenntnis ist wichtig, um die evolutionäre Entwicklung von vielen biologischen Materialien besser zu verstehen. Ihre Ergebnisse haben die Bioniker:innen in dem renommierten englischsprachigen Journal „Proceedings of the Royal Society B“ veröffentlicht.
„Zum ersten Mal konnten wir direkt zeigen, dass das Außenskelett von Insekten auf mechanische Belastung reagieren kann", sagt Dr. Karen Stamm, die am Bionik-Innovations-Centrum (BIC) der HSB die Studie durchgeführt und zu dem Thema promoviert hat. „Nach zwei Wochen in der Zentrifuge mit dem Dreifachen ihres eigenen Körpergewichts waren die Beine der Heuschrecken steifer und die Struktur der Beine anders als bei den Heuschrecken, die unter normaler Schwerkraft lebten." Die Studie wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert und durch die hochschulinterne Abschlussförderung der HSB unterstützt.
Ein typisches Merkmal der meisten biologischen Materialien ist ihre Fähigkeit, auf mechanische Belastung zu reagieren. So verstärken sich beispielsweise Bäume, die sich im Wind wiegen, indem sie mehr Holz hinzufügen, um den Kräften standzuhalten. In ähnlicher Weise besitzen die Skelettstrukturen von Menschen und anderen Wirbeltieren die Fähigkeit, Knochenmaterial hinzuzufügen oder zu entfernen, um ihre mechanischen Eigenschaften zu optimieren. Die meisten Tiere auf der Erde haben jedoch ein sogenanntes Exoskelett (Außenskelett) aus Kutikula. Bislang war nicht bekannt, ob diese Exoskelette auch auf mechanische Belastung reagieren können - oder ob Wirbeltierknochen und Holz in dieser Hinsicht evolutionär einzigartig sind.
Um diese grundlegende biologische Frage zu beantworten, zogen Wissenschaftler:innen der Arbeitsgruppe „Biologische Strukturen und Bionik" der Hochschule Bremen Heuschrecken mehrere Wochen lang in einer großen Zentrifuge und mit kleinen, eigens angefertigten „Rucksäcken" auf. Anschließend maßen die Forscher:innen die Steifheit der Beine und analysierten mittels Röntgenmikrotomographie die Struktur der Kutikula.
„Durch unsere Studie wissen wir jetzt, dass nicht nur Knochen und Holz auf mechanische Belastung reagieren kann. Insekten verfügen auch über diese faszinierende Fähigkeit ", sagt Professor Jan-Henning Dirks, Leiter der Arbeitsgruppe „Biologische Strukturen und Bionik" an der HSB. „Unsere Ergebnisse helfen uns nun, sehr grundlegende Aspekte zur Evolution von Skeletten und biologischen Materialien besser zu beantworten. Gleichzeitig eröffnen sich natürlich wieder ganz neue Fragen, die uns noch viele Jahre beschäftigen werden.“
Prof. Dr. Jan-Henning Dirks
Biological Structures and Biomimetics
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Zentrifuge: Versuchsaufbau zur Erhöhung der mechanischen Belastung des Insektenexoskeletts. Das Foto zeigt die speziell angefertigte Zentrifuge mit den Insektenkäfigen mit individueller Heizung und LED-Beleuchtung. Die Zentrifuge hatte einen Durchmesser von zwei Metern und ermöglichte die kontinuierliche Anwendung von Hypergravitationsbedingungen von bis zu zehn Gramm auf die Insekten.
© Marcus Meyer Photography
