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Forschende am Bionik-Innovations-Centrum der Hochschule Bremen (HSB) haben neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie mechanische Belastung die Ultrastruktur des Seestern-Skeletts prägt. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Acta Biomaterialia veröffentlicht und liefern die erste detaillierte Analyse dazu, wie sich Seestern-Skelette unter unterschiedlichen Stressbedingungen anpassen. Damit eröffnen sie zugleich neue Perspektiven auf die evolutionären Prozesse, die zur Entwicklung und Anpassung von Skeletten führen.
Seesterne sind vielen Menschen bekannt – nicht zuletzt aufgrund der Popkulturfigur Patrick Star aus SpongeBob Schwammkopf – doch ihre faszinierende innere Struktur bleibt meist unbeachtet. Da Seesterne in derselben evolutionären Linie wie Wirbeltiere stehen, eignen sie sich hervorragend als Modellorganismen, um die Entwicklung von Endoskeletten zu erforschen. Ihr Skelett besteht aus Tausenden knochenähnlichen Elementen, den sogenannten Ossikeln, die eine komplexe, poröse Struktur aufweisen. Diese ähnelt verblüffend stark den Knochen von Menschen und anderen Wirbeltieren.
Raman, Erstautor der Studie und Doktorand an der HSB: „Die meisten Menschen kennen die charakteristische Form von Seesternen, aber nur wenige machen sich Gedanken über die Komplexität ihres Skeletts. Unsere Forschung zeigt nicht nur neue Aspekte der Seestern-Biomechanik, sondern liefert auch grundlegende Einsichten in die Evolution von Skeletten.“
Methoden und zentrale Erkenntnisse
Mithilfe hochauflösender Röntgen-Mikrotomographie (MicroCT) und computergestützter Modellierungen analysierte das Team der Hochschule Bremen die 3D-Struktur und Spannungsverteilung in den Ossikeln. Dabei stellten sie fest, dass stark belastete Bereiche eine dichtere „Stereom“-Mikrostruktur ausbilden – ein Prinzip, das auch in menschlichen Knochen zu beobachten ist.
Gleichzeitig entdeckte die Studie einen entscheidenden Unterschied: Während Wirbeltierknochen ihre Mikrostruktur im Laufe der Zeit je nach Belastung aktiv umbauen, fehlt Seesternen sehr wahrscheinlich diese Fähigkeit. Dies legt nahe, dass die Koppelung von Belastung und Struktur zwar ein evolutionär gemeinsames Merkmal von Stachelhäutern und Wirbeltieren ist, die dynamische Umgestaltung jedoch eine Besonderheit von Wirbeltieren darstellt.
Bedeutung und Ausblick
„Die gewonnenen Erkenntnisse erweitern nicht nur das Verständnis über die Evolution von Skeletten, sondern liefern auch potenzielle Impulse für Anwendungen in der Biomedizin und dem Leichtbau“, sagt Prof. Dr. Jan Henning Dirks. „Indem sie zeigen, wie sich starre Strukturen trotz begrenzter Umbaufähigkeiten an äußere Belastungen anpassen, geben die Skelette von Seesternen wertvolle Anregungen für die Entwicklung neuer Werkstoffe oder Konstruktionsprinzipien.“
Strenge ethische Richtlinien
Die durchgeführte Studie entspricht uneingeschränkt dem deutschen und europäischen Tierschutzrecht. Im Sinne guter wissenschaftlicher Praxis wurden strenge ethische Richtlinien befolgt, um die Zahl der verwendeten Proben zu verringern und die Methoden so schonend wie möglich zu gestalten. Die Analysen erfolgten ausnahmslos an toten Seesternen, die im Rahmen wissenschaftlicher Expeditionen als Beifang anfielen.
Die Studie wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) sowie von der Hochschule Bremen gefördert.
Hinweis an die Redaktionen:
In der Publikation finden Sie Abbildungen und Videos, Copyright HSB - Jan-Henning Dirks. Diese dürfen Sie themenbezogen und unter Verwendung des Copyrights kostenfrei verwenden.
• Video 1: Das Skelett des Seesterns Asterias rubens besteht aus Tausenden knochenähnlichen Ossikeln. MicroCT-Aufnahmen zeigen ihre Anordnung und Wechselwirkungen.
• Video 2: Jedes Ossikel besitzt eine komplexe innere Porosität, die mit den auftretenden mechanischen Belastungen korreliert – ähnlich wie bei menschlichen Knochen.
• Bild 1: Foto und MicroCT-Darstellung eines Skeletts von Asterias rubens.
• Bild 2: MicroCT-Scan einer einzelnen Ossikel-Struktur mit sichtbarer Porosität und berechneter Spannungsverteilung.
Prof. Dr. Jan-Henning Dirks
Biological Structures and Biomimetics
Fakultät 5 – Natur und Technik
Hochschule Bremen (HSB)
City University of Applied Sciences
E-Mail: jan-henning.dirks@hs-bremen.de
https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.12.032
https://www.hs-bremen.de/die-hsb/fakultaeten/natur-und-technik/biological-struct...
Das Bild zeigt das Skelett eines Seesterns (Asterias rubens) in einem mikro-Computertomographen. Das ...
Copyright: Raman
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Biology
transregional, national
Research results
German
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