Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Selbsthaftende Gespenster

21.06.2018

Kieler Forscher veröffentlichen umfassende evolutionsbiologische Studie über die Haftstrukturen von Stab- und Gespenstschrecken

Sie leben zwischen Blättern auf beinahe der ganzen Welt, sie werden zwischen einem und 60 Zentimetern groß und sie gelten als Meister der Tarnung: die Rede ist von Stab- und Gespenstschrecken (Phasmatodea).


Unterschiedliche Mikrohaftstrukturen (obere Reihe) bieten in verschiedenen ökologischen Umgebungen gewisse Vorteile bei der Haftung.

© Thies Büscher, Uni Kiel und Mikhail Kryuchkov, Universität Lausanne


Thies Büscher (li.) mit Doktorvater Stanislav Gorb. In seiner Doktorarbeit am Zoologischen Institut der CAU erforscht Büscher die Mikrostrukturen auf den Haftpolstern von Stab- und Gespenstschrecken.

© Dr. Sebastian Büsse, Uni Kiel 2018

Das Besondere an ihnen sind aber nicht nur ihre Tarnkünste, sondern Haftpolster unter ihren Füßen, mit deren speziellen Mikrostrukturierungen sie an unterschiedlichsten Oberflächen haften bleiben. Ein Forscherduo der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat mit internationaler Unterstützung aus Russland und der Schweiz herausgefunden, dass die Mikrohaftstrukturen so vielfältig sind, wie die Krabbler selbst. Die Ergebnisse ihrer evolutionsbiologischen Studie veröffentlichten die Wissenschaftler im Journal of the Royal Society in London.

Erste kreidezeitliche Funde von Stab- und Gespenstschrecken lassen sich auf ein Alter von etwa 126 Millionen Jahren zurückdatieren. Bis heute wurden rund 3.000 Arten beschrieben, die – mit Ausnahme von wenigen kalten oder gemäßigten Klimazonen – beinahe auf allen Kontinenten vorkommen.

Neben ihren Tarnkünsten verfügen die Pflanzenfresser über eine gute Haftungsfähigkeit auf Blättern, Rinde, Sand, Erde, Steinen und sogar auf Glas. Möglich macht das die Beschaffenheit ihrer Füße (Tarsen): Auf den ersten vier Segmenten, die Thies H. Büscher vom Zoologischen Institut der CAU näher untersucht hat, befindet sich jeweils ein Fersenhaftpolster. Das fünfte Glied trägt ein Zehenhaftpolster und zwei Krallen.

Forschungsergebnisse der frühen 2000er Jahre fanden bisher lediglich glatte, plateauförmige oder großnoppige Strukturen auf den Haftpolstern dieser Insektenordnung. Dieses Repertoire kann Büscher durch seine umfassende Studie auf acht erweitern:

„Zu den drei bekannten Strukturen kommen noch flache, wellenförmige, kleinnoppige, labyrinth- und rippenartige. Diese Vielfalt innerhalb einer Insektenordnung ist ungewöhnlich, bei Fliegen zum Beispiel sind die Strukturen recht gleichartig, obwohl diese Ordnung viel mehr Arten beinhaltet.“ Thies Büscher ist Doktorand in der Arbeitsgruppe „Funktionelle Morphologie und Biomechanik“ von Professor Stanislav N. Gorb. Insekten – und ganz besonders Phasmiden – faszinierten Büscher schon immer. Durch Gorbs Expertise über Haftmechanismen der Natur und Büschers Faszination an Phasmiden kam den Biologen die Idee, die Haftungsfähigkeit dieser Sechsbeiner im Rahmen einer Doktorarbeit näher zu erforschen.

Büscher untersuchte Proben von über 130 Arten, die aus Museen und Züchtungen stammen. Hierfür standen lebende, in Alkohol konservierte sowie getrocknete Stab- und Gespenstschrecken zur Verfügung. Um die Mikrohaftstrukturen auf den Tarsen sichtbar zu machen, fertigte Büscher rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen im getrockneten Zustand von jeder Probe an.

Anschließend modellierte Mikhail Kryuchkov (Institut für Pharmakologie und Toxikologie an der Universität Lausanne, Schweiz), betreut durch Vladimir L. Katanaev (Institut für Pharmakologie und Toxikologie an der Universität Lausanne, Schweiz sowie Institut für Biomedizin an der Fernöstlichen Staatlichen Universität in Wladiwostok, Russland), und mithilfe von Alan Turings Reaktions-Diffusions-Modell die mathematische Simulation aller Muster.

Das Modell dient dazu, die Entstehung von allen Mikrohaftstrukturmustern der Phasmiden theoretisch zu erklären. Auf diese Weise konnten sie zeigen, dass die unterschiedlichen Strukturen durch Selbstorganisation geformt und sehr einfach umgewandelt werden können.

Evolutionsbiologische Entwicklung der Strukturen

„Die Ergebnisse haben uns alle sehr überrascht. Wir sind davon ausgegangen, dass es bei der globalen Verbreitung von Stab- und Gespenstschrecken einen stammesgeschichtlichen Zusammenhang in der Entwicklung ihrer Haftpolster geben muss, nah verwandte Arten also ähnliche Mikrostrukturen besitzen müssten“, sagt Büscher. „Wir konnten aber nachweisen, dass sich dieselben Strukturen in unterschiedlichen Arten unabhängig voneinander entwickelt haben müssen.

Dabei konnten wir ein wiederkehrendes Muster identifizieren: Bestimmte Haftstrukturen kommen bei bestimmten Phasmiden vor, die in bestimmten Habitaten vorkommen. Phasmiden, die auf dem Boden leben, haben häufig noppige Haftstrukturen. Diese sind auf ein breites Spektrum an rauen Oberflächen angepasst.“ Bei glatten Haftstrukturen verhält es sich anders: „Glatte Haftstrukturen haften am besten auf glatten Oberflächen, wie denen von Blättern.

Eine Möglichkeit, andere Strukturen durch relativ einfache Mechanismen, nämlich der Änderung der Konzentration eines chemischen Bestandteiles bei der Entwicklung des Haftpolsters zu bilden, könnte dabei ein großer Vorteil sein. Auf diese Weise konnten sich die Haftstrukturen schnell an den jeweiligen Lebensraum anpassen. Das lässt auf eine evolutionsbiologische Entwicklung schließen“, resümiert Büscher.

Über die genauen Eigenschaften und Funktionen einiger Strukturen kann das Team nur spekulieren. Weitere Forschung soll Klarheit bringen, welche Mikrohaftstrukturen sich für welchen Untergrund am besten eignen und welche weiteren Eigenschaften, wie beispielsweise selbstreinigende, sie haben.

Doktorvater Gorb sieht in der Erforschung der Stab- und Gespenstschrecken ein großes Potenzial: „Mithilfe der Evolutionsforschung und der Biomechanik können wir funktionelle Prinzipien in der Natur besser verstehen, um daraus in der Zukunft einen Nutzen für die Gesellschaft zu ziehen.“

Büscher betont den wertvollen Nutzen für Wirtschaft und Industrie: „Indem wir die Haftprinzipien der Phasmiden entschlüsseln und besser verstehen, wie sie genau funktionieren, schaffen wir neue Anreize für die Entwicklung von Oberflächen mit einer Haft- oder Antirutschfunktion. Solche Oberflächen finden ihren Einsatz zum Beispiel in der Robotik, wenn es darum geht, die Arme eines Roboters so zu gestalten, dass er Bauteile mittels physikalischer Haftung greifen, und auch wieder loslassen, kann, ohne dass dabei das Bauteil selbst eine entsprechende Beschichtung braucht – ganz wie bei den Stab- und Gespenstschrecken und ihrer Umgebung.“

Originalpublikation:
Thies H. Büscher, Mikhail Kryuchkov, Vladimir L. Katanaev, Stanislav N. Gorb. 2018. Versatility of Turing patterns potentiates rapid evolution in tarsal attachment microstructures of stick and leaf insects (Phasmatodea). J.R. Soc. Interface 20180281.
http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2018.0281

Es stehen Fotos/Materialien zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/fileadmin/user_upload/pressemitteilungen/2018/196-haftpol...
Bildunterschrift: Thies Büscher (links) erforscht in seiner Doktorarbeit am Zoologischen Institut der CAU die Mikrostrukturen auf den Haftpolstern von Stab- und Gespenstschrecken. Sein Doktorvater Professor Dr. Stanislav N. Gorb sieht darin ein großes Potential für die Gesellschaft.
© Dr. Sebastian Büsse, Uni Kiel 2018

http://www.uni-kiel.de/fileadmin/user_upload/pressemitteilungen/2018/196-haftpol...
Bildunterschrift: Stab- und Gespenstschrecken haften mittels tarsaler Haftpolster an unterschiedlichen Oberflächen, auch an Glas, wie hier zu sehen bei der malaysischen Stabschreckenart Calvisia leopoldi.
© Bruno Kneubühler

http://www.uni-kiel.de/fileadmin/user_upload/pressemitteilungen/2018/196-haftpol...
Bildunterschrift: Der Fuß von Stab- und Gespenstschrecken besteht aus fünf Segmenten (ta1-ta5). Auf den ersten vier befinden sich die Fersenhaftpolster (Euplantulae; eu), deren Mikrostrukturen hier untersucht wurden. Das letzte Glied trägt außerdem ein weiteres Haftpolster, das Arolium (ar), sowie zwei Krallen (cl), die ebenfalls zur Verankerung beitragen. Die Abbildung zeigt einen Tarsus von Lamachodes brocki.
© Thies Büscher, Uni Kiel

http://www.uni-kiel.de/fileadmin/user_upload/pressemitteilungen/2018/196-haftpol...
Bildunterschrift: Die Fersenhaftpolster (Euplantulae) von Stab- und Gespenstschrecken weisen eine hohe Diversität von Mikrohaftstrukturen auf. Insgesamt konnten acht unterschiedliche Strukturen für die mathematische Simulation in Muster eingeteilt werden, wie die noppigen Euplantulae von Sungaya inexpectata, die hier stark vergrößert zu sehen sind.
© Thies Büscher, Uni Kiel

http://www.uni-kiel.de/fileadmin/user_upload/pressemitteilungen/2018/196-haftpol...
Bildunterschrift: Unterschiedliche Mikrohaftstrukturen (obere Reihe) bieten in verschiedenen ökologischen Umgebungen gewisse Vorteile bei der Haftung. Für die hier dargestellte mathematische Simulation wurden die Strukturen simuliert (zweite Reihe). Mithilfe des Reaktions-Diffusions-Modells von Alan Turing kann die Entwicklung dieser Muster auf Grundlage der Konzentrationen von zwei Chemikalien errechnet werden (unterer Bereich) und der Übergang zwischen den Mustern simuliert werden.
© Thies Büscher, Uni Kiel und Mikhail Kryuchkov, Universität Lausanne

Kontakt:
Thies H. Büscher
Funktionelle Morphologie und Biomechanik (AG Gorb)
Zoologisches Institut der CAU (Spezielle Zoologie)
Telefon: +49 (0)431/880-4144
E-Mail: tbuescher@zoologie.uni-kiel.de

Professor Dr. Stanislav N. Gorb
Leiter Funktionelle Morphologie und Biomechanik (AG Gorb)
Zoologisches Institut der CAU (Spezielle Zoologie)
Telefon: +49 (0)431/880-4513
E-Mail: sgorb@zoologie.uni-kiel.de

Weitere Informationen:

Zoologisches Institut der CAU:
http://www.uni-kiel.de/zoologie/gorb
Universität Lausanne, Schweiz:
http://www.unil.ch
Far Eastern Federal University in Vladivostok, Russland:
http://www.dvfu.ru/en

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

Weitere Informationen:

http://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/selbsthaftende-gespenster/
http://www.uni-kiel.de/zoologie/gorb
http://www.unil.ch
http://www.dvfu.ru/en

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Optische Kontrolle von Herzfrequenz oder Insulinsekretion durch lichtschaltbaren Wirkstoff
17.07.2018 | Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

nachricht Künstliche neuronale Netze helfen, das Gehirn zu kartieren
17.07.2018 | Max-Planck-Institut für Neurobiologie

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: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Im Focus: First evidence on the source of extragalactic particles

For the first time ever, scientists have determined the cosmic origin of highest-energy neutrinos. A research group led by IceCube scientist Elisa Resconi, spokesperson of the Collaborative Research Center SFB1258 at the Technical University of Munich (TUM), provides an important piece of evidence that the particles detected by the IceCube neutrino telescope at the South Pole originate from a galaxy four billion light-years away from Earth.

To rule out other origins with certainty, the team led by neutrino physicist Elisa Resconi from the Technical University of Munich and multi-wavelength...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

Conference on Laser Polishing – LaP: Feintuning für Oberflächen

12.07.2018 | Veranstaltungen

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

Optische Kontrolle von Herzfrequenz oder Insulinsekretion durch lichtschaltbaren Wirkstoff

17.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Umweltressourcen nachhaltig nutzen

17.07.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Textilien 4.0: Smarte Kleidung und Wearables als Innovation

17.07.2018 | Innovative Produkte

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