Materialforschung: Käfer in Gummischuhen

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Insekten haben im Rahmen ihrer Evolution unzählige einzigartige Instrumente entwickelt, mit denen sie sich in ihrer Umwelt behaupten können. Die Nachahmung der beteiligten Strukturen und ihrer Eigenschaften birgt ein großes Potenzial für die Entwicklung neuer Materialien, die für Menschen von Nutzen sein können. Von diesem Ziel beflügelt, erforscht Dr. Jan Michels aus dem Zoologischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), mit welchen strukturellen Anpassungen Insekten es schaffen, an unterschiedlichen Oberflächen zu haften. Neue Erkenntnisse über die Haftstrukturen der Marienkäfer haben Jan Michels und seine Kollegen in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

An Wänden hochlaufen oder an Oberflächen kopfüber spazieren, das können viele Insekten. Welche erstaunlichen Materialien dahinterstecken, zeigen die Untersuchungen von Biologen wie Jan Michels. Mit Hilfe spezieller Mikroskopietechniken, der Konfokalen Laserrastermikroskopie und der Rasterkraftmikroskopie, hat er gemeinsam mit seinen Kollegen Marienkäfern auf die Füße geschaut. „Jedes Käferbein ist mit vielen kleinen Haaren ausgestattet, die die beeindruckende Haftung an Oberflächen ermöglichen“, erklärt Jan Michels. „Unsere Untersuchungsergebnisse zeigen, dass verschiedene Teile dieser Haare unterschiedliche Materialzusammensetzungen und -eigenschaften aufweisen. Während die Haarwurzeln relativ hart und steif sind, ist das Material in den Haarspitzen ziemlich weich und elastisch.“ Die Wissenschaftler vermuten, dass sich die Haarspitzen dadurch besser vorhandenen Unebenheiten anpassen können und dies zu einer verbesserten Haftung der Käfer an rauen Oberflächen führt.

Herausgefunden haben das die Autoren Dr. Jan Michels, Dr. Henrik Peisker und Professor Stanislav Gorb unter anderem, indem sie das Protein Resilin, das für die Weichheit und Flexibilität der Haarspitzen verantwortlich ist, visualisiert haben. Resilin kommt bei Insekten an vielen Stellen vor, an denen Flexibilität gefragt ist. Zum Beispiel in Flügeln, in Beingelenken, und eben auch in den Hafthaaren von Marienkäfern.

Die Erweiterung des Wissens um die Tricks der Natur ist wichtige Grundlagenforschung für die weitere Entwicklung oder Verbesserung intelligenter Materialien. So können sich die Forscher zum Beispiel vorstellen, das Grundmaterial für das im Labor von Professor Stanislav Gorb bereits entstandene Gecko-Tape* mit Hilfe der neuen Erkenntnisse zu optimieren. Die Materialzusammensetzung der Hafthaare der Marienkäfer ist allerdings so komplex, dass es zurzeit kein Material gibt, mit dem es möglich wäre, sie künstlich nachzubauen. „Die Natur ist uns in diesem Fall sozusagen einen Marienkäferschritt voraus“, schließt Jan Michels und hofft auf die Materialwissenschaftlerinnen und Materialwissenschaftler, die „jetzt an der Reihe sind“.

* Das Gecko-Tape (eine Marke der Firma Gottlieb Binder, Holzgerlingen) ist den Haftmechanismen von Gecko- und Käferfüßen nachempfunden. Die künstlich hergestellte Folie kann immer wieder verwendet werden, löst sich rückstandsfrei und hält sogar auf feuchten, rutschigen Untergründen. 

Originalpublikation:

Evidence for a material gradient in the adhesive tarsal setae of the ladybird beetle Coccinella septempunctata; Henrik Peisker, Jan Michels & Stanislav N. Gorb; Nature Communications 4:1661; doi: 10.1038/ncomms2576

www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/full/ncomms2576.html

 

Bild: Oberseite (links) und Unterseite (rechts) eines Siebenpunkt-Marienkäfers (Coccinella septempunctata). Der blaue Pfeil markiert exemplarisch eines der Hafthaarpolster des Käfers. Fotos: Stanislav N. Gorb

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