Wissenschaftler der Hochschule Bremen (HSB) zeigten mithilfe einer Zentrifuge, dass die Exoskelette von Insekten stärker werden, wenn sie unter höherer mechanischer Belastung hochgezogen werden. Dieses grundlegende Wissen ist wichtig, um die Entwicklung von Nagelhaut, Knochen und vielen biologischen Materialien besser zu verstehen.
Ein typisches Merkmal der meisten biologischen Materialien ist ihre Fähigkeit, auf mechanische Belastung zu reagieren. Beispielsweise verstärken sich im Wind schwankende Bäume, indem sie mehr Holz hinzufügen, um den Kräften standzuhalten. Ebenso verfügen die Skelettstrukturen von Menschen und anderen Wirbeltieren über die Fähigkeit, Knochenmaterial hinzuzufügen oder zu entfernen und so ihre mechanischen Eigenschaften zu optimieren.
Die meisten Tiere auf der Erde haben jedoch ein Kutikula-Exoskelett. Bisher war nicht bekannt, ob diese Exoskelette auch auf mechanische Belastung reagieren können oder ob Knochen und Holz von Wirbeltieren in dieser Hinsicht evolutionär einzigartig sind.
Um diese grundlegende biologische Frage zu beantworten, haben Wissenschaftler der Arbeitsgruppe Biologische Strukturen und Bionik der Hochschule Bremen (HSB) Heuschrecken mehrere Wochen lang in einer großen Zentrifuge gezüchtet oder sie mit kleinen maßgeschneiderten „Rucksäcken“ ausgestattet. Anschließend maßen die Forscher die Steifheit der Beine und analysierten mithilfe der Röntgenmikrotomographie die Struktur der Kutikula.
Die Studie wurde veröffentlicht in royalsocietypublishing.org/doi … .1098/rspb.2023.2141>Verfahren der Royal Society B: Biologische Wissenschaften.
„Wir konnten erstmals direkt zeigen, dass das Exoskelett von Insekten in der Lage ist, auf mechanische Belastung zu reagieren“, sagte Dr. Karen Stamm, die die Studie im Rahmen ihrer Arbeit am Bionik-Innovations-Center (BIC) der HSB durchführte Ph.D. Forschung. „Nach zwei Wochen in der Zentrifuge bei dem Dreifachen ihres eigenen Körpergewichts waren die Beine der Heuschrecken steifer und die Struktur der Kutikula anders als bei Heuschrecken, die bei normaler Schwerkraft lebten.“
„Die Fähigkeit, sich an mechanische Belastungen anzupassen, ist bisher nur von Knochenendoskeletten und Pflanzen bekannt“, sagte Prof. Jan-Henning Dirks, Leiter der Arbeitsgruppe Biologische Strukturen und Bionik an der HSB. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass unsere Knochen in ihrer Fähigkeit, auf mechanische Belastung zu reagieren, nicht einzigartig sind. Dieses grundlegende Wissen kann uns helfen, die Evolutionswege vieler biologischer Materialien und Skelettsysteme besser zu verstehen.“
Mehr Informationen:
Karen Stamm et al., Insekten-Exoskelette reagieren auf Hypergravitation, Verfahren der Royal Society B: Biologische Wissenschaften (2023). DOI: 10.1098/rspb.2023.2141
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