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Krötenechsen als Ideengeber für Technik

Von: Katharina Menne
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Optimaler Wassertransport: Philipp Comanns und seine Mitarbeiterin Anna-Christin Joel platzieren einen Wassertropfen auf dem Rücken einer Wüstenkrötenechse. Ausbreitung und Richtung der Wasserverteilung werden per Film analysiert. Foto: RWTH Aachen, P. Comanns

Aachen. Die gleißende Sonne erhitzt den Wüstensand. Wasser ist weit und breit nicht zu sehen, nur halbverdorrte Pflanzen. Können Tiere hier überleben? Sie können. Manche Arten, wie die texanische Krötenechse zum Beispiel, haben erstaunliche Strategien entwickelt, wie sie in trockenen Wüstenregionen ihren Durst stillen können.

Die Krötenechsen „ernten“ Wasser aus feuchtem Sand oder Regen und leiten es über ein ausgeklügeltes System in ihrer Haut zum Mund. Nach bisherigen Erkenntnissen hat nur etwa ein Dutzend aller Echsenarten eine solche Fähigkeit entwickelt – interessanterweise auf verschiedenen Kontinenten und völlig unabhängig voneinander.

Forschung seit fünf Jahren

Seit fünf Jahren schon erforscht der Aachener Biologe Philipp Comanns die texanische Krötenechse und die Wüstenkrötenechse im Rahmen seiner Diplom- und seiner Doktorarbeit. „Es war zwar bekannt, dass es Echsen gibt, die mit ihrer Haut Wasser aufnehmen können, aber noch nicht wie. Das wollten wir uns genauer anschauen“, erklärt Comanns die Projektidee, die von seinem Betreuer Professor Werner Baumgartner stammt.

Denn die Haut der Echsen ist nahezu wasserdicht, damit sie in ihrem heißen Lebensraum nicht austrocknen können. Wie also nehmen sie das Wasser auf?

Um diese Frage zu beantworten untersuchte die Arbeitsgruppe Bionik am RWTH-Institut für Biologie II die Echsenhaut mit allen ihnen zur Verfügung stehenden Methoden: mit Rasterelektronenmikroskopie, High-Speed-Videoanalyse und Optischer Kohärenztomographie.

Sie fertigten Schnitte der Haut konservierter Echsen an, die das Forschungsmuseum Alexander Koenig in Bonn zur Verfügung stellte, machten Abdrücke des Schuppenpanzers aus Kunstharz und beobachteten das Verhalten von lebenden Vertretern bei Benetzung der Schuppen mit feinsten Nebeltröpfchen.

Und so fanden die Wissenschaftler heraus: Zwischen den Schuppen verstecken sich feinste Kapillarkanäle, die auf eine besondere Art und Weise aufgebaut sind. Jeder einzelne Kanal weitet sich im Wechsel auf, um sich anschließend wieder zu verengen.

So entsteht eine sägezahnähnliche Struktur. Immer zwei der Kanäle liegen leicht versetzt nebeneinander und sind in bestimmten Abständen durch Querkanäle miteinander verbunden. Dieses Kanalnetzwerk wird in Richtung Maul immer enger und ist in der Lage, feinste Wassertropfen passiv und in eine Richtung zu transportieren – sogar entgegen der Schwerkraft.

Passiv bedeutet in dem Fall, dass keine weitere Kraft auf die Flüssigkeit wirken muss, damit sie sich durch die Kapillaren bewegt. Der Wassertransport beruht allein auf den geometrischen Besonderheiten der Kanäle und ihrer Anordnung.

Schnell war klar, dass das Thema nicht nur aus biologischer Sicht interessant ist, sondern auch vielfältige Ansätze für eine technische Umsetzung bietet. „Der passive Transport von Flüssigkeiten in eine Richtung ist in vielen technischen Prozessen erforderlich und gewünscht, um beispielsweise Schmierstoffe besser zu verteilen und somit den Verschleiß von Pumpen und Motoren zu verringern“, erklärt Comanns. Er habe einen gewissen Hang zur Technik, da liege es nahe, biologische Phänomene in diese Richtung weiter zu denken.

Von der Natur lernen

Die Idee, von der Natur zu lernen und die Erkenntnisse auf den technischen Bereich zu übertragen, ist natürlich nicht neu. Schon Leonardo da Vinci versuchte Flugmaschinen auf der Grundlage des Vogelflugs zu bauen.

Die gezielte Suche nach biologischen Phänomenen in der Natur und deren Umsetzung in technische Anwendungen nennt man „Bionik“. Zwei der bekanntesten Anwendungen dieser Art sind wahrscheinlich der Klettverschluss und der Lotuseffekt.

Auch vom Kapillarnetzwerk der Krötenechse erhofft Comanns sich einen weiterführenden technischen Nutzen. „Es sind zum Beispiel Anwendungen denkbar in der Medizin, wie zum Beispiel Wundauflagen, in Wärmetauschern oder bei Schneidwerkzeugen“, fasst er die Ideen zusammen.

In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) in Aachen konnte die Echsenhautstruktur bereits erfolgreich auf Kunststoff- und Metalloberflächen übertragen werden. Mit Ultrakurzpulslasern werden die sägezahnförmigen Kapillarstrukturen in Oberflächen gelasert.

„Nach diesem Modell geschaffene künstliche Oberflächen verhindern den Flüssigkeitsfluss in eine Richtung, während sie ihn in die andere Richtung aufrechterhalten“, erklärt Comanns. „Sie verhalten sich praktisch wie Dioden.“

Aus dem Promotionsvorhaben des Biologen hat sich mittlerweile ein von der EU gefördertes Projekt mit weiteren Partnern in Deutschland, Österreich, Griechenland und Spanien entwickelt, in dem zusätzlich besondere Wasserbenetzungseigenschaften von Rindenwanzen betrachtet werden. Diese transportieren Wasser aus Kapillaren nach außen auf ihre Körperoberfläche und färben sich dadurch dunkler, um sich zu tarnen.

Ulrike Derra und Kai Winands vom IPT sind sich sicher, dass großes Potential darin steckt: „Wir möchten die Kapillarstruktur der Krötenechsen mit den Benetzungsfähigkeiten der Rindenwanzen kombinieren und durch diese Mikro- und Nanostrukturen völlig neue Oberflächeneigenschaften entwickeln.“

Noch viele offene Fragen

Auch Philipp Comanns werden die Krötenechsen so schnell nicht loslassen. Er ist noch bis mindestens 2018 in das EU-Projekt involviert und kümmert sich mit um eine weitere Optimierung der Kapillarstruktur für die technische Umsetzung.

Aber auch in biologischer Hinsicht gibt es noch offene Fragen: Gibt es Unterschiede zwischen den verschiedenen Krötenechsen beim Flüssigkeitstransport? Wie genau nehmen sie das Wasser aus den Kapillaren mit dem Mund auf?

Und wie konnte es sich auf unterschiedlichen Kontinenten unabhängig voneinander entwickeln? Das zeigt: Die komplexe Struktur, die sich im Laufe der Evolution ausgebildet hat, gibt auch nach Jahren intensiver Forschung noch viele Rätsel auf.

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