Gelenkschmiere in Beingelenken von Käfern

Insekten erweisen sich bei genauer Betrachtung als Fundgrube für erstaunliche Entdeckungen und damit auch als Ideenlieferanten zur Lösung technischer Probleme. Wissenschaftler der Universitäten Kiel und Aarhus (Dänemark) haben beim Großen Schwarzkäfer (Zophobas morio) an einem Beingelenk eine Art Schmiermittel entdeckt, mit dem Reibung und Verschleiß reduziert werden. Es handelt sich um das Gelenk, das Schenkel (Femur) und Schiene (Tibia) verbindet; die Position und Funktion dieses Gelenks entspricht dem menschlichen Kniegelenk.

Abb. 1: Großer Schwarzkäfer (Zophobas morio); in der Aufnahme sind von den Beinen jeweils Schenkel (Femur), Schiene (Tibia) und Fuß (Tarsus) zu erkennen. (Evanherk, CC BY-SA 3.0)

Bei Wirbeltieren sind die Gelenke typischerweise von einer Gelenkkapsel umgeben, die Flüssigkeit enthält, wodurch hydrodynamisch die Reibung der Knorpelflächen reduziert und das Gelenk vor Schädigung geschützt wird. Insekten sind durch ein Exoskelett (Außenskelett) charakterisiert, der Kutikula, einer mehrschichtigen Hülle aus Chitin-basiertem Kompositmaterial, die den Organismus umgibt, stabilisiert und schützt. Für den Stoffaustausch weist die Insektenhülle kleine Poren oder Kanäle auf. Die Beingelenke sind nicht eingekapselt, sondern nach außen offen; der Innenraum des Körperglieds ist hinter dem Gelenk durch eine Membran abgedichtet.

Durch mikroskopische Untersuchungen konnten Nadein et al. (2021) zeigen, dass die Kontaktflächen der Kutikula von Femur und Tibia – mit Ausnahme der Drehpunkte des Gelenks – viele kleine Poren mit einem Durchmesser von ca. 1 µm aufweisen. Durch diese Poren wird eine Substanz gepresst, die an Spaghetti erinnert und in unterschiedlicher Form und Länge (bis zu 100 µm, bei größeren Mengen klumpige Aggregate bis 200 µm) auf der jeweiligen Oberfläche der Kutikula mikroskopisch dokumentiert ist. Aufgrund von infrarot-spektroskopischen Untersuchungen gehen die Autoren davon aus, dass die Substanz vor allem aus Proteinen besteht. Die einzelnen Pressstränge können den Befunden zufolge bei Scherkräften leicht in kürzere Stücke zerteilt und damit auf große Areale verteilt werden.

Abb. 2: Elektronenmikroskopische Aufnahmen der glatten und teilweise strukturierten Oberflächen der Kutikula mit Poren und den ausgeschiedenen Presssträngen, die als Gelenkschmiere wirken. (Mit freundlicher Genehmigung von Konstantin Nadein, Universität Kiel)

Nach den Vorstellungen der Autoren wirkt das proteinhaltige Material mit zähflüssigen und elastischen Eigenschaften als Gleit- und Schmiermittel. Wenn der Abstand der Oberflächen der beiden Beinglieder im Gelenk kleiner als 1 µm wird, deformieren sich die Pressstrangstücke mit zunehmender Belastung und verhindern damit einen direkten Kontakt der beiden Kutikula-Oberflächen und damit deren mechanische Abnutzung. Um die Wirkung der Schmiermittelsubstanz als Gleitmittel zu demonstrieren, wurde der Reibungskoeffizient (µ) zwischen zwei Glasoberflächen bestimmt, die dabei gegeneinander verschoben werden. Wenn die Glasoberflächen in direktem Kontakt miteinander sind (ohne Gleitmittel), so ergibt sich ein durchschnittlicher Wert für µ von 0,35; bei Verwendung der Insektengelenkschmiere zwischen den Glasoberflächen verringert sich dieser Wert auf 0,13. Dieser Wert ist vergleichbar mit dem Wert von 0,14, der erreicht wird, wenn sich zwischen den Glasoberflächen Polytetrafluorethylen befindet (das als „Teflon“ bekannt ist, ein synthetisches Polymer, zur Antihaft-Beschichtung mit niedrigem Reibungskoeffizienten).

In vergleichenden Untersuchungen konnten Nadein et al. (2021) sowohl Poren als auch durch sie ausgetretene Substanzen auch in den Beingelenken anderer Käfer finden. Da sie dies auch bei der aus evolutionärer Perspektive mit Käfern nur entfernt verwandten Argentinischen Waldschabe (Blaptica dubia) nachgewiesen haben, vermuten sie, dass es sich um einen generellen Mechanismus bei Insekten handeln könnte.

Der unterschiedlichen Gelenkkonstruktion bei Wirbeltieren und Insekten scheint also ein jeweils entsprechendes Prinzip zur Reduktion der Reibung und Schutz vor Abnutzung zugrunde zu liegen. Während bei Wirbeltieren ein flüssigkeitsbasierter Mechanismus wirksam ist (gemeinsam mit weiteren Einrichtungen), sorgt in Insekten eine halbfeste und viskose Substanz dafür, dass ein direkter Kontakt der beteiligten Oberflächen und damit Abrieb oder Beschädigung vermieden wird.

Abschließend heben die Autoren die Bedeutung von Insekten hervor, die diese in der biomimetischen Forschung gerade bei Miniatursystemen haben. Die erstaunliche Lösung, die Insekten für die Reduzierung von Reibung in offenen Gelenksystemen nach Nadein et al. „entwickelt“ haben, ist tatsächlich bewundernswert. Zu dieser postulierten Entwicklung ist bisher nichts bekannt; aber das erstaunliche Prinzip kann auch als Hinweis auf ein Konzept und damit auf einen Schöpfer verstanden werden.

H. Binder

[Nadein K, Kovalev A, Thogersen, Weidner T & Gorb S (2021) Insects use lubricants to minimize friction and wear in leg joints. Proc. R. Soc. B 288: 20211065]