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Biologie könnte verschleißminimierte Systeme in der Technik inspirieren
Schlangen sind hochspezialisierte „beinlose“ Tiere, die vor 150 Millionen Jahren entstanden sind. Ohne Extremitäten ist ihr Körper allerdings ständigen Reibungskräften ausgesetzt. Die Doktorandin Marie-Christin Klein und Professor Stanislav Gorb von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) fanden jetzt heraus, wie Schlangenhaut auf die beinlose Fortbewegung spezialisiert ist: unabhängig vom Lebensraum ist sie außen steif und hart, nach innen wird sie weicher und flexibler.
Ihre aktuellen Ergebnisse haben Klein und Gorb in der heutigen Ausgabe (Mittwoch, 15. August) der Fachzeitschrift „Journal of the Royal Society Interface” veröffentlicht.
Schlangen bewohnen alle großen Ökosysteme außerhalb der Polarregionen. Sie schaffen es, auf Bäume zu klettern oder sich unter die Erdoberfläche zu graben. Dabei muss die Haut einer Schlange zwei bis drei Monate halten, bis das Häuten einsetzt. „Die Schlangenhaut muss also gegen Verschleiß optimiert sein“, nahm Marie-Christin Klein zu Beginn ihrer Forschung an. Gemeinsam mit Stanislav Gorb untersuchte sie die Haut von vier Schlangenarten. Die Sandboa (Gongylophis colubrinus), die Kettennatter (Lampropeltis getula californiae), die Regenbogenboa (Epicrates cenchria cenchria) und der Grüne Baumpython (Morelia viridis) besiedeln verschiedene Lebensräume von der Wüste bis hin zu tropischen Bäumen. „Mithilfe dieser vier Arten haben wir herausgefunden, dass die Haut-Architektur je nach Lebensraum sehr unterschiedlich ist. Alle weisen aber einen Gradienten der Materialeigenschaften auf. Das heißt, obwohl die Schlangenhaut von Art zu Art unterschiedlich dick und unterschiedlich strukturiert ist, sind trotzdem alle Häute außen steif und hart und werden nach innen hin weich und flexibel“, erklärt Klein ihre Entdeckung, die ihre Vermutung auf verschleißoptimierte Schlangenhaut bestätigt. Die vier Schlangenarten erreichen diesen mechanischen Effekt zum Beispiel durch verschiedene Zelltypen. Eine Art hat eine dickere Haut mit runden Zellen, die zweite eine dünnere Haut mit länglichen Zellen. „Dies spricht für eine funktionelle Anpassung an eine beinlose Fortbewegung, welche sich für Schlangen in sowohl trockenen als auch in feuchten Gebieten entwickelt hat“, sagt Klein.
Dieses Forschungsgebiet sei noch weitgehend unberührt, berichtet Klein weiter. „Es ist bekannt, wie die Schlangenhaut im Allgemeinen aufgebaut ist, jedoch hat noch niemand untersucht, welche Auswirkungen dies auf die mechanischen Materialeigenschaften hat. Ein Material, das einen Übergang von einer steifen Außenseite zu einer flexibleren Innenseite hat, kann die einwirkende Kraft über eine größere Fläche verteilen und den punktuellen Druck verringern. Solche Materialien sind wie ein flexibler Panzer.“ Mögliche Anwendungsgebiete dieses Prinzips liegen im Bereich der Medizintechnik. Hier könnte beispielsweise Reibung in künstlichen Prothesen optimiert werden. Des Weiteren könnte der Antriebs- und Fördertechnikmarkt von den verschleißminimierenden Erkenntnissen profitieren, da weniger Schmierstoffe eingesetzt werden müssten. Das Reibungssystem der Schlangenhaut sei hierfür ein wichtiges Modell, welches in der Bionikforschung an der Kieler Universität (Abteilung Spezielle Zoologie, Professor Stanislav N. Gorb) für die Entwicklung neuartiger sowie für die Optimierung bereits vorhandener Materialien in Zusammenhang mit Reibung und Verschleiß genutzt wird.
Originalpublikation:
“Epidermis architecture and material properties of the skin of four snake species”
J. R. Soc. Interface rsif20120479; published ahead of print August 15, 2012, 1742-5662.
http://rsif.royalsocietypublishing.org/content/early/2012/08/13/rsif.2012.0479.a...
Bilder stehen zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-230-1.jpg
Bildunterschrift: Forschungsobjekt: Schlangenhaut. Marie-Christin Klein, Doktorandin an der Kieler Universität erforscht, wie sich Schlangenhaut gegen Reibung schützt.
Copyright: CAU, Foto: Claudia Eulitz
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-230-2.jpg
Bildunterschrift: Sandboa, Gongylophis colubrinus.
Copyright: CAU, Foto: Marie Klein-Christin Klein
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-230-3.jpg
Bildunterschrift: Kettennatter, Lampropeltis getula californiae.
Copyright: CAU, Foto: Marie Klein-Christin Klein
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-230-4.jpg
Bildunterschrift: Regenbogenboa, Epicrates cenchria cenchria.
Copyright: CAU, Foto: Claudia Eulitz
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-230-5.jpg
Bildunterschrift: Grüner Baumpython, Morelia viridis.
Copyright: CAU, Foto: Marie Klein-Christin Klein
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-230-6.jpg
Bildunterschrift: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts von der Bauchschuppe einer Kettennatter.
Copyright: CAU, Foto: Marie Klein-Christin Klein
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-230-7.jpg
Bildunterschrift: Die Abbildung zeigt die Kraftverteilung bei einem Material mit und ohne Gradient bei gleichem Druck.
Copyright: CAU, Foto: Marie Klein-Christin Klein
http://www.uni-kiel.de/aktuell/pm/2012/2012-230-schlangen.shtml
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Biology, Materials sciences
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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