Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Perfekte Imperfektion: Artenübergreifender Vergleich biologischer Oberflächen entwickelt

03.05.2016

Es liegt auf der Hand: Mottenaugen und Schlangenhaut sind grundverschieden. Forscher der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben trotzdem genauer hingeschaut und die vermeintlichen „Äpfel und Birnen“ jetzt auf einen gemeinsamen Nenner gebracht. Mit einer neuentwickelten Methode eröffnen sie einen völlig neuen, vergleichenden Blick auf biologische Oberflächen und kommen so der Lösung näher, wie diese Oberflächen funktionieren. Ihre Ergebnisse haben Dr. Alexander Kovalev, Dr. Alexander Filippov und Professor Stanislav Gorb vom Zoologischen Institut der Kieler Universität in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals „Applied Physics A“ veröffentlicht.

Die einen demonstrieren eine Reduktion der Lichtreflektion, die anderen sind besonders wasserabweisend oder halten vor allem Reibung stand. Oberflächen im Tierreich sind an ihre Umgebung angepasst und bieten dem Tier, welches sie umhüllen, einen größtmöglichen evolutionären Vorteil. Wie und warum genau diese unterschiedlichen Strukturen entstehen und wie sie im Detail aufgebaut sind, stellt die Wissenschaft aber auch heute noch vor viele Rätsel.


Aufnahmen der Schlangenhaut einer Morelia viridis im Rastertunnelmikroskop. Die markierten Bereiche zeigen typische asymmetrische Anordnungen von Erhebungen.

Copyright: AG Gorb


Mikroskopaufnahme vom Mottenauge am Beispiel der Manduca sexta. Die dunklen Bereiche sind jeweils hochsymmetrische Domänen.

Copyright: AG Gorb

Aktuelle Arbeiten blicken mittels modernster Forschungstechniken bis in die Zellstrukturen hinein. Normalerweise beschränkte man sich dabei bislang aber auf Vergleiche innerhalb einer Spezies und schaute sich nur kleine Bereiche der Oberflächen näher an, berichtet Gorb: „Wir haben uns deshalb gefragt, welche strukturellen Unterschiede den verschiedenen Arten im Vergleich zu Grunde liegen. Dafür haben wir den typischen Blickwinkel der Biologie verändert und uns größere Oberflächenabschnitte verschiedener Arten vorgenommen.“ Derartige arten- beziehungsweise materialübergreifende Studien sind in anderen technischen oder anorganischen Fachgebieten übliches Tagwerk. In der Biologie hingegen sei diese Methode vollkommen neu, so Gorb weiter.

Auf die Idee brachte sie die Dekoration auf dem eigenen Institutsflur. Dort sind rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Mottenaugen und Schlangenhaut ausgestellt. Irgendwann fielen dem theoretischen Physiker Filippov Ähnlichkeiten zwischen den Aufnahmen auf, die die Oberflächen auf wenige Millionstel Millimeter aufgelöst zeigen. Zu sehen sind Erhebungen und Einsenkungen, die für das menschliche Auge einer gewissen Ordnung zu folgen scheinen. Mit Methoden, die normalerweise in der Kristallographie benutzt werden, erkannten die Wissenschaftler schließlich jene Muster, durch die sich beide Arten unterschieden. „Die Struktur von Mottenaugen ist perfekt geordnet. Außer hohe Abstandsregelmäßigkeit zwischen der Erhebungen existieren bevorzugte Richtungen der Strukturanordnung in den meisten kleinen Bereichen“, erklärt Biophysiker und Erstautor der Studie Kovalev. Die strenge Symmetrie der Augenstruktur war der Wissenschaft bereits bekannt. Dass sie sich aber bis auf Nanoebene durchsetzt und sich über die gesamte Oberfläche, in sogenannten Domänen, wiederholt, sei eine wichtige neue Erkenntnis.

Welcher Symmetrie folgt nun die Oberfläche der Schlangenhaut, die auf den ersten Blick ähnlich, vielleicht sogar noch perfekter geordnet erscheint? „Im Vergleich mit der Struktur des Mottenauges ist die Struktur der Schlangenhaut ungeordnet“, erklärt dazu Kovalev. Und weiter: „Konzentrieren wir uns auf eine Einsenkung in der Haut, analog zu einer Erhebung im Auge, sehen wir nur eine diffuse Wolke weiterer Einsenkungen in der näheren Umgebung. Weder die Existenz besonderer Richtungen noch der reguläre Anordnung lässt sich definieren. Diese ungeordnete Struktur setzt sich über die gesamte Oberfläche fort.“

Für sich genommen sind die Erkenntnisse über die geordnete Augenstruktur zum einen und über die ungeordnete Hautstruktur zum anderen nicht sehr aussagekräftig. Durch den gemeinsamen Nenner, also beide Strukturen mit gleichem Auflösungsgrad zu untersuchen, werde allerdings erstmals ein Vergleich grundverschiedener Strukturen möglich, erläutert Gorb: „Allerdings ist der ‚zufällige‘ Ordnungsgrad nicht zufällig, sondern durch Evolution entstanden. Das würde bedeuten, die perfekte Ordnung verleiht der Motte ihre hervorragende Sehkraft im Dunkeln, während die imperfekte Ordnung der Schlangenhaut für beste Reibungseigenschaften sorgt.“ Das klingt auch logisch, wenn man gemäß physikalischer Gesetze bedenkt, dass für gutes Sehen eine symmetrische Struktur notwendig ist, für gute Reibungseigenschaften der Kontakt zum Untergrund aber so gering wie möglich sein sollte.

Wären die Kieler Forscher der üblichen Herangehensweise gefolgt und hätten Schlangen mit Schlangen und Motten mit Motten verglichen, wäre der Ordnung der Elemente auf Nanoebene kaum Bedeutung zugesprochen worden. „Im Vergleich der Arten sehen wir nun, dass der Schlüssel zum Verständnis von Oberflächenfunktionen bereits auf der kleinsten Ebene liegen muss. Jede biologische Oberfläche ist an ihre Umwelt angepasst, und diese Anpassungen spiegeln in der Anordnung ihrer kleinsten Elemente in einem bestimmten perfekten oder eben imperfekten Grad wieder“, schließt Gorb.

Originalpublikation
A. Kovalev, A. Filippov, S.N. Gorb. „Correlation analysis of symmetry breaking in the surface nanostructure ordering: case study of the ventral scale of the snake Morelia viridis”; Applied Physics A 122:253
DOI: 10.1007/s00339-016-9795-2

Fotos stehen zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-137-1.jpg
Der Motte ins Auge geschaut. Kieler Wissenschaftler erforschen die Nanostruktur von Tierzellen.
Foto, Copyright: Eulitz/Gorb

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-137-2.jpg
Der Institutsflur weckte ihr Interesse an der Forschungsfrage: Stanislav Gorb (links) und Alexander Kovalev (rechts).
Foto, Copyright: Claudia Eulitz/CAU

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-137-3.jpg
Aufnahmen der Schlangenhaut einer Morelia viridis im Rastertunnelmikroskop. Die markierten Bereiche zeigen typische asymmetrische Anordnungen von Erhebungen.
Copyright: AG Gorb

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2016/2016-137-4.jpg
Mikroskopaufnahme vom Mottenauge am Beispiel der Manduca sexta. Die dunklen Bereiche sind jeweils hochsymmetrische Domänen.
Copyright: AG Gorb

Kontakt
Prof. Dr. Stanislav N. Gorb
Zoological Institute of the University of Kiel
Tel. +49-431/880-4513
sgorb@zoologie.uni-kiel.de
http://www.uni-kiel.de/zoologie/gorb/topics.html

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text: Claudia Eulitz
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de Twitter: www.twitter.com/kieluni, Facebook: www.facebook.com/kieluni

Weitere Informationen:

http://www.uni-kiel.de/pressemeldungen/index.php?pmid=2016-137-motten-und-schlan...

Dr. Boris Pawlowski | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Weitere Berichte zu: Biologie Motte Nanoebene Oberfläche Oberflächen Schlangenhaut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aus-Schalter für Nebenwirkungen
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Ein Fall von „Kiss and Tell“: Chromosomales Kissing wird fassbarer
22.06.2018 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics