Bionik-Wettbewerb Was Muscheln hart macht

Sie sieht nicht nur schön aus, sondern ist auch noch ungemein widerstandsfähig. Der vierte Teil der SPIEGEL-ONLINE-Serie zum bundesweiten Bionik-Wettbewerb verrät, wie sich die Australische Meeresschnecke für das Leben in der Tiefe rüstet.

Von Kristina Patschull


Australische Meeresschnecke: Hochleistungswerkstoff aus der Natur
Uni Bremen

Australische Meeresschnecke: Hochleistungswerkstoff aus der Natur

Gierige Fressfeinde, Salzwasser und ein Wasserdruck von etwa zwei Bar - Wer unter solchen Bedingungen überleben will, muss sich schon eine harte Schale zulegen. Steht einem dafür nicht viel mehr als Kalk, also Kalziumkarbonat, zur Verfügung, ist das eine große Herausforderung. Zu 97 Prozent besteht die Schale der Meeresschnecke aus dem an sich brüchigen Material. Und dennoch ist es dem Tier gelungen, sich einen Schutzschild aus Perlmutt zu bauen, von dessen Widerstandsfähigkeit Ingenieure nur träumen können.

Kleine Brüche werden sofort verklebt

Welchen Trick das Tier dabei gebraucht, haben unter anderem Monika Fritz und ihre Kollegen von der Universität Bremen ergründet. Sie fanden heraus, dass die Kalkstrukturen der Muschelschale von organischen Bindemolekülen umgeben sind, von Chitin und Eiweiß. "Das ist eine optimale Verbindung", sagt Fritz gegenüber SPIEGEL ONLINE. "Während der Kalk dafür verantwortlich ist, dass sich die Schale nicht verbiegt, sorgt das organische Material dafür, dass sie nicht bricht." Wie ein Gummidämpfer nehmen Proteine und Chitin die Energie auf, die von außen auf das Perlmutt einwirkt. Kleine Brüche in den Kalksstrukturen werden sofort verklebt.

Perlmutt im Mikroskop: regelmäßig wie eine Ziegelwand
Uni Bremen

Perlmutt im Mikroskop: regelmäßig wie eine Ziegelwand

Stabilität erreicht die Muschelschale auch durch ihren speziellen Aufbau. Im Rasterkraftmikroskop, das Oberflächen im Bereich eines millionstel Millimeters mechanisch abtastet, konnten die Forscher erkennen, dass die Muschelschale eine sehr geordnete Struktur besitzt. "Das Perlmutt ist wie eine Ziegelwand in Schichten aufgebaut. Das Kalziumikarbonat entspricht dabei den Ziegeln, das organische Material dem Mörtel", erklärt Fritz.

Um herauszufinden, wie die Schnecke dieses ausgeklügelte Gebilde aus organischen und anorganischen Bestandteilen aufbaut, schoben die Forscher ein Deckglas zwischen die Schale und das sogenannte sekretierende Epithel, eine Zellschicht, die die Inhaltsstoffe des Perlmutts ausscheidet. Schon nach drei Wochen konnten sie sehen, dass die Schnecke ganze Arbeit geleistet hattte: Das dünne Glas war mit einer Perlmuttschicht überzogen. "Mit dieser Technik können wir die räumliche und zeitliche Abfolge der Sekretion mitverfolgen", erklärt Fritz.

Bruchfeste Zähne aus Perlmutt

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Schnecke zunächst ein feines Netzwerk aus Chitin aufbaut, in das sie dann das gelöste Kalziumkarbonat und Proteine einlagert. "Mit diesem Netzwerk sorgt die Schnecke dafür, dass die Bestandteile des Perlmutts nicht ins Wasser austreten", sagt Fritz. Treffen das Protein Perlucin und Kalciumkarbonat aufeinander, bilden sich blitzschnell winzige Kristalle. Andere Proteine ordnen diese Plättchen dann zu Schichten - die besondere Struktur des Perlmutts entsteht.

Diese ganze Aufbauarbeit bewältigt die Schnecke außerhalb ihres Körpers. Die Forscher hoffen daher, dass sie es dem Tier in Zukunft im Labor gleichtun können. So träumen Fritz und ihre Kollegen beispielweise von bruchfesten Zahnimplantaten aus Perlmutt. Die Bedingungen, unter denen die Biokeramik wächst, machen das Material für die Industrie noch interessanter. "Perlmutt entsteht unter Normaldruck bei Raumtemperatur, ganz anders als Industriekeramik, wo immer sehr hohe Temperaturen nötig sind", sagt Fritz. Bei einem Umstieg auf Biokeramiken könnte also viel Energie eingespart werden.

Bis die Wissenschaftler aber Perlmutt wie in der Natur einfach wachsen lassen können, ist es noch ein weiter Weg. "Wenn alles gut läuft, können wir vielleicht in fünf bis zehn Jahren künstliches Perlmutt herstellen", gibt Fritz eine vorsichtige Prognose. Festlegen will sie sich aber nicht, denn die besondere Struktur des Perlmutts mit seinen regelmäßigen Plättchen, die alle gleich groß sind, stellt die Wissenschaftler vor eine große Herausforderung.

Etwas früher dürfte sich ein anderes Ziel erreichen lassen: Zusammen mit der Firma Remmers Baustofftechnik entwickeln die Wissenschaftler derzeit eine Fassadenfarbe, die zwar die Bestandteile des Perlmutts enthält, aber nicht auf seine geordnete Struktur angewiesen ist. Klaus Zinsmeister aus der Forschungsabteilung der Baustofftechnik-Firma hofft, dass diese Farbe witterungsbeständiger sein wird, als alle herkömmlichen Farben. Er rechnet damit, dass bereits in zwei Jahren eine erste Perlmutt-Farbe auf den Markt kommen wird. Gerade aus ökologischer Sicht wäre das ein Gewinn, so Zinsmeister. "Der große Vorteil wird sein, dass wir dann völlig unabhängig vom Erdöl sind."



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