Spinne, Ameise, Skorpion: Fester Biss und starker Stachel dank Schwermetall

Eine neue Studie hat gezeigt, dass eine Mischung aus Proteinen und Schwermetallen wie Zink und Kupfer die Werkzeuge wirbelloser Tiere besonders hart und robust macht.

Von Carrie Arnold
Veröffentlicht am 29. Nov. 2021, 17:21 MEZ, Aktualisiert am 30. Nov. 2021, 08:53 MEZ
Eine Webspinne (Phidippus regius) zeigt ihre schillernden Beißklauen.

Eine Webspinne (Phidippus regius) zeigt ihre schillernden Beißklauen.

Foto von Emanuele Biggi, Nature Picture Library

Wenn sie bei einem Reh Blut saugen, verbeißen Zecken sich fest in die pelzige Haut des Tiers. Blattschneiderameisen nagen sich mühelos durch die dicken Blätter tropischer Pflanzen. Mit ihrem Stachel injizieren Skorpione sogar Tieren ihr Gift, die um ein Vielfaches größer sind als sie selbst.

Die Frage, woher diese teilweise winzigen Tiere so eine große Kraft nehmen, hat Robert Schofield, Physiker an der University of Oregon in Eugene, schon lange fasziniert. Seine Antwort veröffentlichte er in einer neuen Studie, die in der Zeitschrift Scientific Report erschienen ist.

Das Geheimnis liegt in der anatomischen Struktur des Materials, aus dem die Werkzeuge der Tiere gemacht sind. Wissenschaftler haben schon vor längerer Zeit herausgefunden, dass die Beissklauen, Kiefer und Stacheln einiger wirbelloser Spezies zu großen Teilen aus Schwermetallen wie Zink, Kupfer und Mangan bestehen – in manchen Fällen machen diese bis zu 20 Prozent des Körpergewichts einer Tierart aus. Bisher konnte jedoch nicht geklärt werden, in welchem Zusammenhang die Metalle mit den langlebigen Proteinen stehen, die ebenfalls in diesen Körperteilen wirbelloser Tiere gefunden wurden.

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Bei einer Molekularanalyse der Schwermetalle und Proteinen stellten Robert Schofield und seine Kollegen fest, dass einzelne Metallatome mit den Proteinen verwoben sind. Das Ergebnis sind starke, widerstandsfähige Verbundstoffe, die die Wissenschaftler Schwerelement-Biomaterialien getauft haben.

„Es ist wirklich cool, wie strapazierfähig das Hinzufügen dieser Metalle die Werkzeuge macht“, sagt Stephanie Crofts, Biologin am College of the Holy Cross in Worcester, Massachusetts, die nicht an der Studie beteiligt war. „Die Forschung hat gezeigt, dass dieser Materialaufbau bei einer ganzen Bandbreite von Organismen vorkommt – bei weitaus mehr als wir gedacht haben.“

Schwerelement-Biomaterialien: Besser als Biomineralien

Ein Prozess im Tierreich, bei dem auf natürlich Weise unempfindliche Materialien entstehen, ist die Biomineralisation, bei der größere mineralische Kristalle von den Proteinen im Körper eines Tieres umschlossen werden. Dies ist zum Beispiel bei Knochen und bei manchen Muschelschalen der Fall. Knochenmasse ist eine kräftige Mischung aus Mineralien – in erster Linie Kalziumkarbonat – und Proteinen, die für die nötige Flexibilität des Skeletts sorgen. Dank dieser Mischung können Knochen in einem Maße gedehnt oder gequetscht werden, das nicht möglich wäre, wenn sie nur aus einem der beiden Materialien bestehen würden.

Doch die Biomineralisation hat ihre Grenzen, was sich zum Beispiel darin zeigt, wie leicht Muschelschalen zerbrechen. „Man muss sich nur vorstellen, wie schwer es wäre, aus einem Backstein ein Messer zu machen – genauso ist es, wenn man aus einem Biomineral etwas Scharfes herstellen will“, erklärt Robert Schofield.

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Somit ist klar, dass Biomineralien nicht die Basis für die Werkzeuge der Wirbellosen sein können, denn diese sind scharf und gleichzeitig äußerst stabil, damit sie trotz ständiger Benutzung keinen Schaden zu nehmen – ein abgebrochener Stachel würde für einen Skorpion zum Beispiel den Tod bedeuten.

Unschlagbare Mischung aus Proteinen und Schwermetall

Robert Schofield und seine Kollegen vom Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Washington, und der Oregon State University in Corvallis, lösten das Rätsel, indem sie die jeweiligen Werkzeuge von Ameisen, Spinnen, Skorpionen, Mollusken und einer bestimmten Meereswurmart untersuchten. Mithilfe von Miniatursonden, die eigens für diesen Zweck gebaut wurden, prüften sie die mechanischen Eigenschaften der Körperteile und analysierten sie Atom für Atom.

Sie fanden heraus, dass die Schwermetalle wie Zink und Mangan gleichmäßig in den Werkzeugen verteilt sind – anders als die Minerale in Knochen oder anderen Biomaterialien. Diese anatomische Struktur bringt schärfere, langlebigere Werkzeuge hervor, als ein Proteinmaterial, in dem keine Metalle vorhanden sind.

Die Schwerelement-Biomaterialen haben auch in der Kosten-Nutzen-Rechnung die Nase vorn: Laut Berechnungen der Wissenschaftler müsste eine Ameise beim Durchschneiden eines Blatts 60 Prozent mehr Energie aufwenden, würde sie nicht über die anatomische Struktur in ihren Beißwerkzeugen verfügen.

Noch sind nicht alle Fragen von Robert Schofield beantwortet. Er will zum Beispiel noch herausfinden, ob sich das widerstandsfähige Material einmalig in der Evolution entwickelt hat, oder mehrmals unabhängig voneinander in unterschiedlichen Gruppen wirbelloser Tiere – vom Tausendfüßler bis zum Krustentier.

Laut Stephanie Croft ist es außerdem nicht unwahrscheinlich, dass Ingenieure die Idee der Schwerelement-Biomaterialien aufgreifen, um auf dieser Basis neue Produkte zu entwickeln, die ihren Einsatz zum Beispiel in der Telekommunikation oder der Medizin finden könnten. Werkzeuge und Geräte aus Materialien, die auf dieser anatomischen Struktur aus Proteinen und Schwermetallen bestehen, könnten leichter, stärker und robuster sein als die, mit denen bisher gearbeitet wird. Für die Wissenschaftlerin ist dies ein weiterer Beweis dafür, dass die Natur eben alles am besten weiß.

Dieser Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.

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