Wie Forscher die Tricks der Natur entschlüsseln

Echte Knochenarbeit

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Netzwerk von Trabekel im Knochen

Warum sehen Knochen kleiner Tiere so viel schlanker aus als die großer Tiere? – das fragte sich schon Galileo Galilei. In seinem Buch „Discorsi e dimostrazioni matematiche“ stellte der Universalgelehrte 1638 fest, dass das Volumen eines Körpers nach dem geometrischen Gesetz „Radius hoch 3“ zunimmt. Folglich wächst auch die Masse eines Tieres mit der „dritten Potenz“. Für den Querschnitt der Knochen gelten dagegen die Gesetze der zweidimensionalen, flachen Welt, wusste Galilei. Sie nehmen mit „Radius hoch 2“, der zweiten Potenz, zu. Besonders schön wird das deutlich, wenn man die Beine zweier entfernter Verwandter miteinander vergleicht: eines fünf Tonnen schweren Tyrannosaurus Rex und eines nur wenige Kilogramm wiegenden Haushuhns (siehe Abb. A).

Galilei hatte also schon erkannt, dass geometrische Gesetze das Design von Knochen bestimmen. Mathematisches Denken kann offenbar sehr gut helfen, Konstruktionsprinzipien des Lebens zu entschlüsseln. Nach diesem Motto arbeitet auch der österreichische Physiker Peter Fratzl. Fratzl ist Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm bei Berlin. In seiner Abteilung „Biomaterialien“ untersuchen Forscherinnen und Forscher die faszinierenden Problemlösungen der Natur. Sie kommen aus ganz verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen – aus der Biologie, der Physik, der Chemie und den Materialwissenschaften; sogar mit Medizinern und Designern arbeitet seine Abteilung zusammen.

<p><strong>Abb. A: Gigant und Leichtgewicht</strong><br />Je größer ein Tier ist, desto kräftiger sind seine Knochen im Vergleich zur Länge. Besonders schön demonstrieren das die Beine zweier entfernter Verwandter in ungefähr gleich großer Darstellung. Links ist das Bein eines <em>Tyrannosaurus rex</em>, rechts das Bein eines Huhns. <em>T. Rex</em> wog geschätzt 5-7 Tonnen, also so viel wie ein Kleinlaster, ein Haushuhn wiegt nur wenige Kilogramm.</p> Bild vergrößern

Abb. A: Gigant und Leichtgewicht
Je größer ein Tier ist, desto kräftiger sind seine Knochen im Vergleich zur Länge. Besonders schön demonstrieren das die Beine zweier entfernter Verwandter in ungefähr gleich großer Darstellung. Links ist das Bein eines Tyrannosaurus rex, rechts das Bein eines Huhns. T. Rex wog geschätzt 5-7 Tonnen, also so viel wie ein Kleinlaster, ein Haushuhn wiegt nur wenige Kilogramm.

Die Golmer erforschen zum Beispiel die Unterwasser-Klebetechnik von Muscheln, die enorme Sprungkraft von Heuschreckenbeinen, raffiniert funktionierende Samenkapseln von Pflanzen – und sie untersuchen Knochen. Denn die stecken bis heute voller Rätsel. Fratzl`s Forschungsgebiet fällt unter den Begriff „Bionik“. Der Professor räumt gleich mit einem populären Irrtum auf: In der Bionik geht es keinesfalls darum, die Natur „eins zu eins“ zu kopieren. „Die Industrie erhofft sich von uns Abkürzungen in der Entwicklung neuer Materialien“, sagt Fratzl, „aber das funktioniert in der Regel nicht.“ Dafür unterscheiden sich lebende Organismen zu sehr von technischen Anwendungen. Trotzdem kann die Bionik mit ihren Entdeckungen zum Beispiel Ideen für neue, intelligente Materialien hervorbringen. Und genau diese Inspiration suchen die Max-Planck-Forscher in der Natur.

Biologie muss nachhaltig sein

Wie unterschiedlich Leben und Technik sind, zeigen schon die Materialien: Die Industrie verwendet verschiedene Metalle, um Brücken, Hochhäuser, Schiffe, Flugzeuge oder Autos zu bauen. Aus Silizium, ein weiteres Beispiel, macht sie Glas und Elektronik. Viele Produktionsprozesse erfordern hohe Temperaturen von einigen Hundert Grad, besonders die Herstellung von Stahl, Beton, Glas oder Siliziumkristalle für elektronische Chips. Noch ein weiteres Problem hat die heutige Technik. Fratzl zeigt auf sein Smartphone: „Da sind so viele verschiedene Stoffe drin, dass eine Trennung extrem aufwändig ist.“ Ein kaputtes Handy ist daher nur schwer zu recyceln. „Biomaterialien sind dagegen voll recycelbar“, so der Forscher, „sie sind wirklich nachhaltig, weil sie auf einer geringen Anzahl von Grundstoffen aufbauen.“

Dieser reduzierte Baukasten an Grundstoffen allein wäre schon ein Vorbild für eine nachhaltigere Technik. Zudem kann die Biologie nur mit niedrigen Temperaturen arbeiten. Selbst Zähne müssen bei Körpertemperatur wachsen, anstatt in heißen Brennöfen hart gebrannt zu werden. Um unter diesen Bedingungen Materialien herzustellen, bietet die Natur relativ wenige chemische Elemente an: Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Calcium, Phosphor, Schwefel und noch einige Spurenelemente. Auch Eisen ist dabei. Knochen aus Stahl sind der Natur verwehrt, aber „Rosten“ geht wunderbar. Also werden Eisenatome zu Sauerstofftransportern in roten Blutkörperchen.

Gerade solche Einschränkungen haben die Evolution also zu kreativen Lösungen beflügelt. Von Werkstoffen, die sich an mechanische Belastungen anpassen und Schäden ausheilen, kann die Industrie bislang nur träumen. „Man muss sich nur eine Brücke vorstellen, die von selbst über einen Fluss wächst und sich in ihrer Tragkraft dem Verkehr anpasst“, sagt Fratzl. Genau so etwas können Knochen. Schon an die „Herstellung“ geht die Biologie ganz anderes heran als die Industrie: Sie lässt alles wachsen. Künstliche Bauteile wie Stahlträger müssen als Ganzes produziert werden. Da sie sich nicht anpassen können, muss ihr Material von vorneherein für alle denkbaren Fälle ausgelegt sein. Die Natur baut einen Knochen oder Holzstamm Molekül für Molekül auf, Knochen sogar immer wieder um. Im Prinzip funktioniert das wie ein Baukasten. Aus den Grundbausteinen entstehen größere Bauelemente und daraus noch größere Einheiten, bis das Objekt fertig ist. Und die Bausteine fügen sich auch noch von selbst zusammen! Das Grundmaterial sei zwar „ziemlich minderwertig“, sagt Fratzl. Doch die Kombination zu schlau gestalteten Strukturen erschafft fantastische Eigenschaften.

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