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„Eisenplattenkäfer“ – hart wie ein Panzer
von Harald Binder
Studium Integrale Journal
28. Jahrgang / Heft 1 - April 2021
Seite 38 - 40
Zusammenfassung: Ein im Westen der USA lebender Käfer hat innerhalb kürzester Zeit Berühmtheit erlangt, weil er mechanischen Beanspruchungen gegenüber außerordentlich robust ist. So können Vögel als potenzielle Fressfeinde den Käfer mit ihrem Schnabel nicht knacken und ihn höchstens am Stück verschlucken. Ein Forscherteam hat die mikroskopischen Grundlagen dieser auffälligen Eigenschaften untersucht und dabei auch Impulse für die Verbesserung technischer Konstruktionen gefunden.
Abb. 1: „Teuflischer Eisenplattenkäfer“ (Nomoderma diabolicus) auf Entdeckungstour. Schon seine äußere Erscheinung – die Außenschicht enthält keine Mineralien – spiegelt etwas von seiner außerordentlichen Robustheit wider. (© Kisailus Biomimetics and Nanostructured Materials Lab, University of California at Irvine)
Der Eisenplattenkäfer überlebt es, wenn er von einem Auto überrollt wird.
Ein erstaunlich robuster Käfer, der bis vor Kurzem selbst unter europäischen Käferkennern nur wenigen bekannt gewesen sein dürfte, hat in wenigen Tagen aufgrund spektakulärer Berichte in den Medien große Aufmerksamkeit gefunden und entsprechende Bekanntheit erlangt. Der Käfer mit dem Namen Nomoderma diabolicus1 lebt in trockenen, wüstenartigen Lebensräumen im Westen der USA und wird dort „diabolical ironclad beetle“ genannt, was man mit „teuflischer Eisenplattenkäfer“ wiedergeben könnte. Die Autoren der hier zitierten Forschungsarbeit verwendeten in Interviews auch Begriffe wie „kleiner Panzer“ („little tank“). Seine Härte, die ihn auch erstaunlich hohe mechanische Kräfte unbeschadet überleben lässt und potenzielle Fressfeinde wie Eidechsen und Vögel vor entsprechende Herausforderungen stellt, hat zu dieser Bezeichnung inspiriert. Um einen solchen Käfer für eine Sammlung zu präparieren, muss er durchbohrt werden, um ihn „nadeln“ zu können, denn beim Versuch, die Stahlnadel wie üblich durch die Deckflügel zu stechen, verbiegen sich diese. Beim Laufen erhebt der ca. 2 cm lange, flach gebaute Käfer seinen Körper nur wenig über den Boden. Wenn er von einem Auto überrollt wird, stellt er sich zwar tot, überlebt aber diese ungeheure Belastung.
Mikroskopische Strukturen als Ursachen für die Robustheit
Nun hat ein internationales Forschungsteam den Käfer einer genaueren Analyse unterzogen, um dem Geheimnis seiner erstaunlichen Belastbarkeit auf die Spur zu kommen (Rivera et al. 2020). Käfer sind mit über 350.000 beschriebenen Arten die größte Ordnung in der Klasse der Insekten. Man findet bei diesen Tieren viele spezielle Besonderheiten für ein Leben in verschiedensten Lebensräumen, sei es an Land, im Wasser oder in der Luft. Ein auffälliges und wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen Käfern und anderen Insekten liegt im Aufbau der Flügel. Das erste Flügelpaar (Deckflügel; Elytron (gr.): Hülle, Futteral, Behälter) ist bei Käfern typischerweise sklerotisiert (skleros (gr.): trocken, hart, rau). Bei flugfähigen Käfern bedecken sie das zweite Flügelpaar, das teilweise kunstvoll gefaltet darunter verborgen liegt. N. diabolicus ist flugunfähig, bei ihm sind die Elytren miteinander verwachsen und weisen im Vergleich zu flugfähigen Käfern eine deutlich höhere Dichte auf: 0,97 g/cm3 (zum Vergleich: Trypoxylus dichotomus, eine flugfähige asiatische Nashornkäferart: 0,51 gcm-3). Eine chemische Analyse der Elytren ergab 32,6 Gew.% Chitin, 52,2 Gew.% Protein und 15,1 Gew.% Lipide; für die Elytren von T. dichotomus fanden die Autoren dagegen 42,0 Gew.% Chitin, 43,4 Gew.% Protein und 15,0 Gew.% Lipide (Rivera et al. 2020, Suppl. Inf.). Die Autoren vermuten, dass der relativ hohe Proteinanteil in den Elytren von N. diabolicus u. a. am Aufbau der Matrix zwischen den Chitinfasern und damit wesentlich am Aufbau der Mikrostruktur beteiligt ist und somit einen bedeutenden Faktor bei der Energieabsorption darstellt. Die Proteine der Deckflügel vom Teuflischen Eisenplattenkäfer sind auch in einem höheren Maße quervernetzt im Vergleich zu denen des asiatischen Nashornkäfers.2
Für Überraschungsmomente sorgten aber mikroskopische Strukturen an der Naht zwischen den beiden Elytren und den Verbindungsstellen zwischen Elytrum und der bauchseitigen Kutikula. Im Verlauf von Brust und Hinterleib verändert sich die Struktur der Verbindung zwischen verwachsenen Deckflügeln und dem von der Bauchseite her kommenden Teil des Außenskeletts. Im Brustbereich, in dem die Organe eng an der Außenhaut anliegen und der nur wenig mit Hämolymphe gefüllte innere Zwischenräume aufweist, greifen Deckflügel und Kutikula fingerartig ineinander und verteilen den Druck sehr gleichmäßig. Im weiteren Verlauf verändert sich die Verbindung zu einer stufenartigen Struktur, die die Autoren als arretiert („launching“) bezeichnen. Diese Struktur erlaubt bei hoher Belastung eine Überschiebung. In Bereichen, die eine gewisse Flexibilität erlauben, sind die Verbindungsstellen also so ausgelegt, dass Elytrum und Kutikula bei Belastung übereinander gleiten können. So wird insgesamt über den Kontakt zwischen Deckflügel und bauchseitigem Exoskelett die Belastung optimal abgeleitet und verteilt.
Über den Kontakt zwischen Deckflügel und bauchseitigem Exoskelett wird die Belastung optimal abgeleitet und verteilt.
Die Naht zwischen den beiden Elytren auf dem Rücken des Käfers zeigt bei computertomographischen (CT) Aufnahmen im Querschnitt eine Struktur, die mit Verbindungen von Puzzleteilen zu vergleichen ist; dort passt eine pilzartige Ausstülpung exakt in eine entsprechende Aussparung des benachbarten Teils. Bei flugfähigen Käfern greifen die Elytren an der Naht fingerartig ineinander und können vor dem Start voneinander gelöst werden. Im Vergleich zu anderen robusten und flugunfähigen Käfern erweist sich die Naht bei N. diabolicus hinsichtlich der Robustheit als optimiert. Rivera et al. haben die Nahtstruktur auch in Modellrechnungen3 geprüft und darin gezeigt, dass die Festigkeit der Naht zwar mit der Anzahl der pilzartigen Verknüpfungen steigt, aber dabei die Kraftverteilung und die Flexibilität schlechter werden. Die Verbindung nach Art von Puzzleteilen entlang der Naht der Elytren ist nach diesen Modellrechnungen für N. diabolicus optimal. Darüber hinaus ist das Gewebe im Bereich der Naht laminar, also geschichtet aufgebaut. Dieser Aufbau bewirkt, dass die Verbindung bei extremer Belastung zerstörungsfrei eine Trennung der Elytren ermöglicht, ohne dass die Struktur beschädigt wird. Dabei lösen sich die einzelnen Gewebeschichten voneinander und ermöglichen so ein zerstörungsfreies Ausklicken.
Rivera et al. beschließen ihre Publikation mit einer bionischen Anwendung beim Turbinenbau. Sie haben in einem Modell die Turbinenschaufeln an der Achse mit einer Verbindung befestigt, die der Naht der Elytren von N. diabolicus nachempfunden ist.
Bei der Lektüre der populären Beiträge zu diesem Käfer in den Medien fällt auf: Mit einer gedankenlosen Penetranz wird in diesem wie auch in vergleichbaren Fällen behauptet, dass die Natur 4,6 Milliarden Jahre Zeit hatte, die erstaunlichsten Kreaturen hervorzubringen (Menne 2020). Das entspricht zwar der gängigen Meinung vieler Fachleute, hat aber erstens mit dem eigentlichen Thema und dem Phänomen nichts zu tun und ist zweitens keine naturwissenschaftlich nachweisbare Tatsache, kein Faktum! Zeit an sich stellt keinen Mechanismus zu Optimierungsprozessen oder gar für Neukonstruktionen dar. Solange aber Fachkollegen in unreflektierter Gewohnheit die Einleitungen ihrer Veröffentlichungen mit Sätzen wie „Seit Millionen von Jahren haben Selektionsdruck der Umwelt und Jäger-Beutebeziehungen dazu geführt, …“4 beginnen, kann man von Journalisten wohl keine sachlich angemesseneren Formulierungen erwarten. Schade eigentlich!
1 In der Fachliteratur – auch in dem zitierten Nature-Artikel – wird er Phloeodes diabolicus genannt; dieser Artname ist aufgrund von Revisionen inzwischen jedoch überholt.
2 Die Proteine sind für die Analyse schwieriger zu extrahieren.
3 Finite-Elemente-Methoden
4„For millions of years, environmental pressures and predator-prey relationships have driven arthropods to develop structures that are both mechanically robust and multifunctional“ (erster Satz im Text von Rivera et al. [2020]).
Der Unkaputtbare. DIE ZEIT 44, 22. 10. 2020; hier nur als ein Beispiel von vielen.
Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle. Nature 586, 543–548.
Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle. Supplementary Information and Extended Data, https://doi.org/10.1038/s41586-020-2813-8.
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Letzte Änderung: 7/2/21
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