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Umwelt+Natur

Kieselalgen sind ein Musterbeispiel für stabile Konstruktionen

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Exemplare der Kieselalgen Thalassiosira (mitte) und Corethron (rechts). (Foto: R. M. Crawford, AWI)
Die fantastischen Formen von Kieselalgen haben einen ökologischen Sinn. Die Schalen der Diatomeen halten extremen Kräften stand und schützen die Algen damit gegen ein breites Spektrum an Organismen, die versuchen, sie aufzubrechen. Das berichten Wissenschaftler vom Alfred-Wegener-Institut (AWI) in der Fachzeitschrift „Nature“ (Bd. 421, S. 841).

Trotz dieser hohen mechanischen Belastbarkeit sind sie äußerst leicht gebaut und gehen damit auch ökonomisch mit dem im Wasser nur begrenzt vorhandenen Baustoff Silizium um. Die Leichtbauweise ist erforderlich, weil das Baumaterial relativ schwer ist und zusätzlichen Ballast für die im Wasser schwebenden Algen bedeutet.

Die Wissenschaftler um Christian Hamm vom AWI unterzogen einzelne Kieselalgen mikromechanischen Belastungstests. Die Beanspruchung durch unterschiedliche Beißwerkzeuge wurde darüber hinaus mit Hilfe moderner Berechnungsmethoden am Computer simuliert. Es zeigte sich, dass die Festigkeit der Schalen durch ein Zusammenspiel von hochkomplexen, fließenden Formen mit den besonderen Materialeigenschaften des glasartigen Baustoffes entsteht.

Die Kombination von Silizium und Kohlenstoff im Schalenmaterial ermöglichte es den Kieselalgen, im Laufe der Evolution zahlreiche verschiedene Formen zu entwickeln. Dabei entstanden Strukturen, die denen von technischen Konstruktionen oder Bauwerken auffallend ähnlich sind.

„Diese Untersuchungen an Diatomeenschalen sind ein Ausgangspunkt für eine Reihe fundamental neuer Erkenntnisse über die Evolution mariner Lebensgemeinschaften“, sagt Hamm. Der Reichtum an Schalenarchitekturen kann auf die Anpassung an mechanische Belastungen durch unterschiedlich geformte Beißwerkzeuge zurückgeführt werden. Hiermit wehren sich die Algen offenbar gegen den Fraßdruck durch das Zooplankton.

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Übertragen auf technische Problemstellungen, in denen Stabilität und Leichtigkeit besonders wichtig sind, könnte eine den Diatomeenschalen nachempfundene Architektur für einen besonders ökonomischen Einsatz von Baumaterial und Treibstoff sorgen. Dies ist beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt und im Transportwesen von Interesse. In Zusammenhang mit ihrer Schönheit bieten die mechanisch stabilen Strukturen aber auch interessante Anwendungsmöglichkeiten für die Verbindung von Design und Funktionalität.

Diatomeen sind einzellige Meeresalgen und für den größten Teil der Produktion von Sauerstoff und pflanzlicher Biomasse im Meer verantwortlich. Seit ihrer Entdeckung vor rund 170 Jahren werden sie wegen ihrer Schönheit und Vielfalt bewundert. Erstmals wurde nun nachgewiesen, dass ihre fantastischen Formen einen ökologischen Sinn haben.

idw
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