Napfschnecken-Zähne - das stärkste Natur-Material Geniales Patent der Natur - wissenschaft.de
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Napfschnecken-Zähne - das stärkste Natur-Material

Geniales Patent der Natur

Radula einer Napfschnecke
Raspelzunge einer Napfschnecke, jedes Zähnchen ist nur knapp einen Millimeter groß (Foto: University of Portsmouth)
Napfschnecken gehören bisher nicht gerade zu den Stars unter den Meerestieren. Doch ihre winzigen Zähnchen haben es in sich: Sie entpuppen sich als das bisher stärkste bekannte biologische Material – noch stärker als Spinnenseide, der bisherige Spitzenreiter. Dieses geniale Patent der Natur könnte als Vorbild für neue künstliche Verbundmaterialien dienen.

Napfschnecken sind eher unauffällige Gesellen: Wie kleine Kegel sitzen sie fest auf Felsen oder Holzbohlen in der Brandungszone des Meeres. Ihre harte, geriefte Schale schützt sie dabei perfekt vor der Wucht der Wellen. Mit ihrem Schalenmuskel klammern sie sich so fest an den Untergrund, dass sie nur extrem schwer abzulösen sind. Im Schutz der Dunkelheit aber kommt Bewegung in die Schnecken: Sie kriechen langsam umher und weiden den Algenaufwuchs auf dem Untergrund ab. Ihre Raspelzunge ist dafür mit feinen, knapp einen Millimeter großen Zähnchen besetzt.

Stärker als jedes andere Material der Natur

„Die Napfschnecken benötigen starke Zähne, um über die harten Feldoberflächen zu schaben und so die Algen abzulösen“, erklärt Asa Barber von der University of Portsmouth. Wie stark diese Zähne aber tatsächlich sind, haben er und seine Kollegen nun in einem Experiment enthüllt. Sie präparierten dafür Zähne der Napfschnecke Patella vulgata und testeten mit einem Rasterkraftmikroskop, welchem Druck feine Scheibchen des Zahnmaterials standhalten können. Jedes dieser Scheibchen war dabei hundertfach dünner als ein menschliches Haar.

Das überraschende Ergebnis: Das Zahnmaterial widerstand noch Kräften von rund 120 Gigapascal, bevor es brach – das entspricht dem 1,2 Millionenfachen des atmosphärischen Drucks. „Damit sind diese Zähne das bisher stärkste bekannte biologische Material und das einzige, das mit den stärksten künstlich hergestellten Karbonfasern vergleichbar ist“, sagt Barber. „Bisher dachten wir, dass die Spinnenseide das stärkste biologische Material ist, aber jetzt haben wir entdeckt, dass die Zähne der Napfschnecken eine noch höhere potenzielle Kraft entfalten.“

Nanokristalle ohne Fehlstellen

Die Ursache für die ungewöhnliche Festigkeit der Napfschnecken-Zähne liegt in ihrem Material: Sie bestehen aus einer organischen Matrix, in die Nanokristalle aus Geothit eingebettet sind – einem eisenhaltigen Mineral. „Wir haben entdeckt, dass die Geothit-Fasern genau die richtige Größe besitzen, um das Verbundmaterial so widerstandsfähig zu machen“, erklärt Barber.

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Und noch etwas Besonderes hatten die Zähnchen: Ihre Stärke blieb gleich, egal wie lang das belastete Scheibchen war. „Normalerweise hat eine größere Struktur mehr Fehlstellen und bricht daher schneller als eine kleinere Struktur“, erklärt Barber. „Die Napfschnecken brechen diese Regel, denn ihre Zähne bleiben gleich stabil, egal wie groß die Materialprobe ist.“

„Eine wunderbare Inspiration“

Die Entdeckung dieses Biomaterials ist für die Forscher ein weiteres Beispiel dafür, wie innovativ und effektiv die Natur sein kann. „Die Natur ist eine wunderbare Quelle der Inspiration für Strukturen mit außerordentlichen mechanischen Eigenschaften“, so Barber. „Alle Dinge, die wir um uns herum beobachten – Bäume, die Schalen von Meerestieren und die Schneckenzähne, die wir untersucht haben – haben sich so entwickelt, dass sie ihre Aufgabe möglichst effektiv erfüllen können.“

Was liegt daher näher, als von diesen Natur-Patenten zu profitieren und sich einige wertvolle Kniffe abzuschauen? „Das Material der Napfschnecken-Zähne könnte man in den Karosserien von Rennwagen, Bootsrümpfen oder Flugzeugteilen nutzen“, meint Barber. „Denn Ingenieure sind immer daran interessiert, etwas zu finden, dass diese Bauteile stabiler und gleichzeitig leichter macht.“

Quelle: Royal Society Journal Interface, doi: 10.1098/rsif.2014.1326

© natur.de – Nadja Podbregar
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Wissenschaftslexikon

Was passiert eigentlich wenn radioaktiv verstrahlte Personen Kinder kriegen wollen? Kommen die dann mit Mutationen und Erbkrankheiten zur Welt? Haben die eine erhöhte Chance, selber Krebs zu bekommen? Das Ganze sind nicht nur hypothetische Fragestellungen für Überlebende von Hiroshima und Nagasaki, Liquidatoren von Tschernobyl und Arbeitern aus Fukushima, sondern ganz konkrete Problemstellungen für mich und andere Leute nach überstandener medizinischer Strahlentherapie.

Bei meiner Strahlentherapie habe ich doppelt so viel Strahlung abbekommen wie der durchschnittliche Arbeiter in Tschernobyl. Das gilt auch für viele andere Personen, die eine medizinische Strahlentherapie hinter sich hatten, ist aber in der aktuellen Weltlage so ziemlich die einzige Möglichkeit genug Strahlung abzubekommen, damit die obige Fragestellung relevant wird. Die Menschen, die durch einen Strahlenunfall aktuell eine deutlich hohe Dosis abbekommen haben, kann man dagegen weltweit an einer Hand abzählen. Wenn man eine Zahl im zweistelligen (oder höheren) Bereich haben will, dann muss man zu den großen historischen Unfällen gehen, die ich weiter oben erwähnt habe.

Dabei gibt es einen großen Unterschied zwischen Krebspatienten mit Strahlentherapie und Menschen, die nur Strahlung abbekommen haben. Denn so ziemlich alle Chemo-Medikamente wirken auch auf die Genetik der Fortpflanzung. Meine Gedanken dazu habe ich damals in meinem Tagebuch-Beitrag beschrieben und werde ich hier nicht nochmal durchkauen. Hier soll es nur um Menschen gehen, die ausschließlich ionisierende Strahlung abbekommen haben. Krebspatienten wenden sich bitte an ihre behandelnden Ärzte.

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Also bekommen verstrahlte Leute nun Babys mit höherem Krebsrisiko oder anderen Mutationen? Die verblüffende Antwort darauf ist ein klares ‘Nein’. Nach allem, was wir heute wissen, gibt es kein signifikant erhöhtes Risiko für Kinder von verstrahlten Menschen.

Die größte Studie dazu ist wohl wieder mal die LSS – Life Span Study, basierend auf den Atombombenabwürfen von Hiroshima und Nagasaki [1]. Hier wurden über 120.000 Überlebende lebenslang medizinisch begleitet und ihre Gesundsheitslebensläufe dokumentiert. Dabei wurde herausgefunden, dass es keinerlei statistisch signifikanten erhöhten Krebsraten oder Krankheiten bei den Kindern der Atombombenüberlebenden gibt. Wobei die Untersuchungen immer noch andauern, weil die Kinder der Überlebenden aktuell eben maximal 70 Jahre alt sind und somit ihre gesamt Lebensstatistik noch nicht erfasst worden ist.

Letzteres ist streng genommen nicht nur eine akademische Einschränkung, denn die 70 jährigen Kinder der Atombombenabwürfe sind jetzt gerade in dem Alter, in dem Menschen normalerweise an altersbedingten, normalem Kreb erkranken. Aber die Betreuer der Studie(n) erwarten da eigentlich keine größeren Überraschungen mehr, auch wenn man formal die Beobachtung erst in ca. 30 Jahren abschließen kann.

Wie kommt es nun zu dieser recht klaren Beobachtung, die der vorherrschenden Meinung in Popkultur, Romanen und Science-Fiction Büchern widerspricht?

Nun ja, die vorherrschende Meinung findet halt Gefallen an dreiäugigen Fischen, Godzilla-artigen Echsen und dreibrüstigen Nutten vom Mars. Das ist eine der wenigen Möglichkeiten, Mutationen in Film oder Literatur darzustellen, weil man eben etwas zeigen muss, was Leute sehen können und eine Chromosomentranslokation zwischen 9 und 22 gehört halt leider nicht dazu. Mutationen lösen in der Realität halt eben nur Krebs aus und machen keine Extraorgane oder Superfähigkeiten… leider.

Dieses komische, auf den ersten Blick unnötig komplizierte Prinzip mit der Eizelle, die einmal im Monat reift und den Millionen Spermien, die zu einem Wettrennen aufbrechen, ist anscheinend genau dazu da, um zu verhindern, dass radioaktiv verstrahlte Personen mutierte Kinder bekommen. Denn wenn nun eine Eizelle durch radioaktive Strahlung mutiert ist, dann wird in dem ganzen komplizierten Prozess von Reifung, Befruchtung und Zellteilung ein solch großer Fehler passieren, dass die Zelle abstirbt und es nicht zu Nachkommen kommt. Wenn Spermien mutiert sind, dann können sie nicht vernünftig schwimmen und werden somit das Wettrennen gegen gesunde Spermien verlieren.

Das ist jetzt extrem vereinfacht ausgedrückt, aber grundsätzlich das Prinzip, mit dem unser Körper die Menschheit vor unkontrollierten Mutationen schützt. Während es in unserer Evolution als Einzeller noch von Vorteil war, möglichst viele Mutationen in kürzester Zeit zu bekommen, so hat sich dies geändert, als wir den Status von Mehrzellern erreicht hatten. Von da an mussten unsere gallertartigen Vorfahren Mechanismen entwickeln, um sich vor Radioaktivität zu schützen und diese komplizierte Art der Fortpflanzung ist eine Möglichkeit, eben dies zu tun.

♦ Na|tri|um|hy|dro|xid  auch:  Na|tri|um|hyd|ro|xid  〈n. 11; Chem.〉 weißer, hygroskop. Stoff, reagiert mit Wasser unter Wärmeentwicklung zu Natronlauge; ... mehr

f–Moll  〈[f–] n.; –; unz.; Mus.; Abk.: f〉 auf dem Grundton f beruhende Moll–Tonart

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