Leistungsstarkes Schmiermittel schützt Käfergelenke vorm Verschleiß

Zoologie-Forschungsteam der Uni Kiel untersucht Besonderheiten von Insektengelenken   

Knie- oder Handgelenke von Wirbeltieren wie dem Menschen sind von einer schützenden Kapsel umgeben. Sie enthält eine Flüssigkeit, die Reibung zwischen den Knorpeln minimiert und so erst ermöglicht, dass sich Arme und Beine schmerzfrei Beugen und Strecken lassen. Ganz anders sind die Gelenke von Insekten aufgebaut: Ihre Gelenke liegen unverkapselt offen und sind damit der Umwelt direkt ausgesetzt. Ein Forschungsteam aus dem Zoologischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) will herausfinden, wie die offenen Gelenke von Insekten funktionieren und hat dazu die Kniegelenke des Großen Schwarzkäfers (Zophobas morio) untersucht. Sie entdeckten ein wachsartiges Schmiermittel, das Reibung ähnlich gut verringert wie Teflon und damit den Verschleiß der Gelenke reduziert. Seine Ergebnisse stellt das Forschungsteam kürzlich in der Fachzeitschrift Proceedings of the Royal Society B vor.  

Laufen, Fliegen, Springen, Graben, Klettern – die verschiedenen Insektenarten nutzen ihre Gelenke für ganz unterschiedliche Aktivitäten. „Aber die Forschung weiß fast nichts darüber, wie Insektengelenke aufgebaut sind, um diese Bewegungen zu bewältigen, und aus welchen Materialien sie bestehen“, sagt Stanislav Gorb, Professor für Funktionelle Morphologie und Biomechanik an der CAU. Wie Insektengelenke ohne schützende Kapsel funktionieren, erforscht Mitarbeiter Dr. Konstantin Nadein. In der aktuellen Studie hat er die Kniegelenke des Großen Schwarzkäfers untersucht, eine etwa zwei Zentimeter große Käferart, die vor allem in Mittelamerika, Kuba und Teilen von Südamerika vorkommt. Unter dem Rasterelektronenmikroskop entdeckte der Biologe unzählige feine Poren auf den Kontaktflächen der Kniegelenke, jede gerade einmal ein tausendstel Millimeter groß. Sie sondern dünne Stränge einer Substanz mit einer ungewöhnlichen, wachsartigen Konsistenz ab, die teilweise zerbrechen und kleine Klumpen bilden.


Käfer-Schmiermittel ähnlich leistungsstark wie Teflon

Das Forschungsteam vermutete, dass es sich hierbei um eine Art Schmiermittel für die Gelenke handelt. Um das zu überprüfen, sammelten sie die Substanz und brachten sie zwischen zwei Glasoberflächen auf. Anschließend haben sie mit Hilfe von Dr. Alexander Kovalev gemessen, welche Reibungskräfte wirken, wenn die beiden Oberflächen gegeneinander bewegt werden. Zum Vergleich brachten sie in einem zweiten Versuch den Kunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE) zwischen zwei Glasscheiben auf – besser bekannt unter dem Handelsnamen Teflon, das zum Beispiel als Pfannenbeschichtung eingesetzt wird. „Unsere Experimente zeigen, dass die Gleitwirkung der Käfersubstanz der von Teflon ähnelt, was bekanntlich die beste Antireibung-Wirkung hat, die sich zurzeit künstlich herstellen lässt“, fasst Nadein das Ergebnis zusammen.
 
Die besondere Konsistenz der Substanz ist im Käfergelenk von doppeltem Vorteil: Die festen Stränge und Klumpen wirken zum einen wie ein Polster, das den direkten Kontakt zwischen den Gelenkoberflächen verhindert und so Verschleiß verringert. Da die Poren, durch die sie austritt, überall auf dem Gelenk verteilt sind, ist somit gewissermaßen die gesamte Oberfläche geschützt. Zum anderen funktioniert die feste Schutzsubstanz – anders als die flüssigen Schmiermittel in den Gelenkkapseln von Wirbeltieren – auch bei den offenliegenden Gelenken von Insekten, ohne dort unnötig Flüssigkeit zu verlieren.  
 

Anwendungen in Mikrorobotik oder winzigen Prothesen denkbar

Da Insektengelenke grundsätzlich mechanischen oder künstlichen Mikrogelenken ähneln, könnte das leistungsstarke organische Käfer-Schmiermittel auch für technische Anwendungen interessant sein. Eingesetzt in der Mikrorobotik oder in winzigen Prothesen könnte es zum Beispiel ihre Funktionen verbessern, Verschleiß verringern und so ihre Lebensdauer erhöhen.

Bis es soweit ist, muss jedoch noch ein Weg gefunden werden, um die Käfer-Substanz kostengünstig und in größeren Mengen synthetisch herzustellen. Mit Infrarotspektroskopie untersuchten Jan Thøgersen und Tobias Weidner vom Fachbereich Chemie der Universität Aarhus, Dänemark, die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Substanz und stellten fest, dass sie zum Großteil aus Proteinen besteht. Alle Bestandteile im Einzelnen kann das Forschungsteam jedoch noch nicht benennen. „Es ist schwierig, die Substanz chemisch zu analysieren, weil sie sich in kaum einer Flüssigkeit auflöst. Außerdem brauchen wir dafür viel mehr Untersuchungsmaterial, das händische Sammeln ist allerdings sehr aufwendig“, erklärt Nadein.  


Forschende vermuten, Grundprinzip von Insektengelenken entdeckt zu haben

Da die Beine des Großen Schwarzkäfers nicht auf spezielle Fähigkeiten wie Graben oder Springen angelegt sind, geht das Forschungsteam davon aus, dass es sich bei dem entdeckten Schmiermittel um ein generelles Funktionsprinzip von Insektengelenken handeln könnte. „Dafür spricht auch, dass wir es bereits in den Kniegelenken anderer Insektenarten gefunden haben, wie der Argentinischen Waldschabe, bei der keine enge Verwandtschaft zu Käfern nachgewiesen ist.“ Hier sind noch weitere Untersuchungen notwendig, auch zu der Frage, wie Insekten ihre Beine im Detail bewegen und wie sie ihre offenen Gelenke zum Beispiel vor Verschmutzung schützen. 

Originalpublikation:

Nadein K, Kovalev A, Thøgersen J, Weidner T, Gorb S. 2021 Insects use lubricants to minimize friction and wear in leg joints. Proc. R. Soc. B 288: 20211065. https://doi.org/10.1098/rspb.2021.1065

Weitere Publikation:

Nadein, K. & Gorb, S. 2021. Lubrication in the joints of insects (Arthropoda: Insecta). Journal of Zoology (Wiley)315

, zslpublications.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/jzo.12922

Wissenschaftlicher Kontakt:

Professor Dr. Stanislav Gorb
Funktionelle Morphologie und Biomechanik, CAU
+49 431 880-4513
sgorb@zoologie.uni-kiel.de
www.sgorb.zoologie.uni-kiel.de/

Dr. Konstantin Nadein
Funktionelle Morphologie und Biomechanik, CAU
+49 431 880-4517
knadein@zoologie.uni-kiel.de

Käfer
© Konstantin Nadein

Der Große Schwarzkäfer (Zophobas morio) bewegt seine Kniegelenke ohne große Verschleißerscheinungen.

 

Mikroskopbild
© Konstantin Nadein

Eine besondere Herausforderung für Verschleißerscheinungen: Anders als bei Wirbeltieren wie dem Menschen sind die Gelenke von Insekten nicht von einer schützenden Kapsel umgeben, sondern liegen offen.

3 Wissenschaftler vor einem Computer
© Julia Siekmann, Uni Kiel

Dr. Konstantin Nadein (v.l.), Dr. Alexander Kovalev und Professor Stanislav Gorb von der Uni Kiel untersuchen die besonderen Gelenke von Insekten.

Mikroskopbild
© Konstantin Nadein

Aus den unzähligen feinen Poren auf den Gelenken des Käfers treten dünne Stränge einer ungewöhnlichen, wachsartigen Substanz aus. Sie verhindert Reibung ähnlich gut wie Teflon.

Diese Forschung wurde finanziell gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Projektes „Funktionales Design von Käferbeingelenken“ zu Konstantin Nadein.

Über den CAU-Forschungsschwerpunkt KiNSIS:

Im Nanokosmos herrschen andere, quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Strukturen und Prozesse in diesen Dimensionen zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsnah umzusetzen, ist das Ziel des Forschungsschwerpunkts »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). In einer intensiven interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences könnten daraus neuartige Sensoren und Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche medizinische Therapien und vieles mehr entstehen. www.kinsis.uni-kiel.de

Pressekontakt:
Julia Siekmann
Referentin für Wissenschaftskommunikation, Forschungsschwerpunkt Kiel Nano Surface and Interface Sciences (KiNSIS)