Wie Forscher die Tricks der Natur entschlüsseln

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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.

Die Materialbausteine der Natur lassen sich in wenige weiche und harte Sorten unterscheiden. Die weichen Bausteine sind überwiegend Polymere. Das sind lange Molekülketten, deren Kettenglieder sich wie Perlen wiederholen. Dazu zählen Proteine wie Kollagen in Tieren oder Zucker wie Cellulose in Pflanzen. Die langen Kollagenmoleküle verschrauben sich zu einer dreifachen Helix, diese verzwirbelt sich weiter zu einer Art Molekülseil. Ein Bündel daraus bildet schließlich eine Kollagenfaser. Dieser „hierarchische Aufbau“ ist typisch für Biomaterialien und sorgt für die Festigkeit des Bindegewebes. Eine ähnliche Rolle spielt die Cellulose in Pflanzenzellen. Die harten Werkstoffe der Natur sind die Biomineralien. Sie können nahezu perfekte, kleine Kristalle bilden, zum Beispiel das Calciumphosphat in Knochen oder Zähnen oder das Calciumcarbonat in Muschelschalen.

Knochen, immer im Umbau begriffen

Knochen sind das Forschungsobjekt von Richard Weinkamers Gruppe „Mechanobiologie“. Wenn es um Knochen geht, ist der österreichische Physiker quasi ein Erbe Galileo Galileis. Als Theoretiker versucht er, ihre mechanischen Eigenschaften mit Computersimulationen zu verstehen und so von der Natur zu lernen. Um die vielen verschiedenen Belastungen im Alltag auszuhalten, sind zum Beispiel die langen Knochen in Armen und Beinen raffiniert aufgebaut. Grundsätzlich ist bei gleichem Materialeinsatz ein hohles Rohr viel stabiler gegen Knicken als ein dünnerer, gefüllter Stab. Deshalb ist Bambusrohr leicht und doch stabil. Diesem Leichtbauprinzip gehorchen auch die langen Röhrenknochen. Sie bilden ebenfalls ein hohles Rohr aus dem sehr festen Knochengewebe. Innen sind sie mit weichem Knochenmark gefüllt, das für die Blutbildung wichtig ist. Die Knochenenden weiten sich zu kugeligen Formen auf. Beim Oberschenkelknochen sitzt zum Beispiel oben die Kugel für das Hüftgelenk.

Besonders die Gelenkteile müssen starken mechanischen Stress aus allen Richtungen aushalten. Aus diesem Grund sind sie innen mit einer Art Leichtbaugitter gefüllt. Es besteht aus Knochenbälkchen, „Trabekeln“, die so etwas wie einen „Hartschaum“ bilden. Schon im 19. Jahrhundert erkannten Forscher, dass die Trabekel wie ein Tragwerk funktionieren. Sie berechneten die Hauptkräfte, die ihrer Meinung nach auf den Knochen wirken. Und tatsächlich fanden sie in den Bälkchen gebogene Pfade, die diesen Kraftlinien wie Speichen folgten. Doch diese Erkenntnis führt auch leicht in die Irre. Tatsächlich ist die Schwammstruktur wesentlich komplexer als zum Beispiel die Gitterkonstruktion des berühmten Eiffelturms. Diese ist typisch für das Ingenieursdenken, mit dem die Wissenschaft vor über hundert Jahren Knochen betrachtete. Der Eiffelturm musste so konstruiert werden, dass er sich gegen die Erdanziehung aufrecht hält und im Sturm nicht umfällt. An einem Knochen wirken aber Kräfte aus erheblich mehr Richtungen, etwa beim Sport. Zudem passt sich der Knochen aktiv den Lebensumständen an – wie ein Muskel. Das gilt besonders für die innere „Verspannung“ durch die Knochenbälkchen. Wer sich viel bewegt, trainiert auch seine Knochen. Die Skelette römischer Gladiatoren verraten deshalb, wofür sie ausgebildet wurden. So weisen besonders lange, kräftige Armknochen auf Schwertkämpfer hin.

„Knochen wird dort angebaut, wo er mechanisch nötig ist“, sagt Weinkamer, „und anderswo abgebaut.“ Der Körper muss eben sparsam mit seinen begrenzten Ressourcen umgehen. Zuständig für diese Bautätigkeit sind die Knochenzellen. Sie leben an den Oberflächen des Knochens und in einem feinen System aus kleinen Höhlen und Verbindungskanälen im Knochengewebe. Ihre Wirkung kann man sich wie kleine Computerspielfiguren vorstellen: Emsig schaffen sie Baumaterial dorthin, wo es gebraucht wird, und tragen Material an überflüssigen Stellen ab. In einem gesunden Knochen „spüren“ die Zellen, wie sie das Knochenwachstum steuern müssen.

Abb. B: Vom Kollagen zum Knochen Bild vergrößern
Abb. B: Vom Kollagen zum Knochen

Wie diese faszinierende Selbstorganisation genau funktioniert, ist noch unklar. Die Max-Planck-Forscher wollen mehr darüber wissen und natürlich Ideen für ganz neue, intelligente Materialien gewinnen. Sie arbeiten zudem mit der medizinischen Forschung an der Charité in Berlin zusammen. Im Fokus stehen Knochenkrankheiten wie die Osteoporose. Dabei nimmt die Zahl der Trabekel ab. Den Abbau versucht der kranke Knochen dadurch auszugleichen, dass er die Knochenbälkchen in den normalen Kraftrichtungen verstärkt. Aus Materialnot baut er weniger genutzte Bälkchen ab. „Bei normalen Belastungen geht das zum Beispiel bei Rückenwirbeln gut“, erklärt Weinkamer, „aber bei ungewöhnlichen Belastungen wie der Vermeidung eines Sturzes brechen sie.“

Unter Osteoporose leiden vor allem ältere Menschen. Die Glasknochen-Krankheit trifft aber auch schon Kinder. Dieser genetische Defekt bietet ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie der Körper versucht, ein Manko auszugleichen. Knochen sind ein Verbundmaterial. In ein Geflecht aus zähen Kollagenmolekülen lagern die Knochenzellen harte Kristalle aus Calciumverbindungen ein (Abb. B). Der Verbund aus beiden Materialsorten macht Knochen steif und zugleich zäh, also widerstandsfähig gegen Bruch. „Bei der Glasknochenkrankheit vermutet man einen Fehler in den Kollagenmolekülen“, erklärt Weinkamer. Diese Schwäche versucht der Körper wahrscheinlich auszugleichen, indem er mehr Kristalle in die Knochen einbaut. Das „Härten“ macht die Knochen aber spröde, weil die Elastizität des Kollagengeflechts fehlt.

„Sesam öffne dich“ mit Regenwasser

Ganz besonders interessieren sich die Bionik-Forscher für die zahlreichen Funktionen, die in vielen Biomaterialien eingebaut sind. Erstaunlicherweise gilt das sogar für verholzte, tote Pflanzengewebe. Dazu zählen Samenkapseln, an denen Michaela Eder mit ihrer Gruppe forscht. Aktuell untersucht die studierte Holzwirtschaftlerin die Zapfen einer australischen Pflanzenart, die zur Gattung der Banksien gehört. Viele Banksien „lagern“ ihre Samen jahrelang in ihren Zapfen. Zur Samenfreisetzung brauchen diese Arten Buschfeuer. Ohne die nährstoffreiche frische Asche auf dem Boden können die Samen nicht keimen (siehe auch GEOMAX 3). Aus den länglichen Zapfen ragen seitlich schnabelförmige Samenkapseln heraus. Bei welcher Temperatur im Buschfeuer diese sich öffnen, hängt von der Art und der Umwelt ab. Das Öffnen funktioniert, obwohl die verholzten Zapfen eigentlich tot sind. Dazu ist ein raffinierter Temperatursensor in ihrem Material eingebaut. „Das ist ein cooles Ding“, schwärmt Eder. Mehr kann sie über die laufende Forschungsarbeit aber noch nicht verraten.

Die Funktionsweise einer anderen Samenkapsel haben die Golmer jedoch bereits erfolgreich entschlüsselt. Die Mittagsblume Delosperma naturense trotzt in vielen Regionen der Erde monatelangen Trockenperioden, zum Beispiel an den Küsten von Australien oder Kalifornien. Fällt Regen, nutzt die Pflanze das rare Wasser zum Keimen ihrer Samen. Deshalb hat ihre Samenkapsel einen Mechanismus, der bei Regen fünf Deckel öffnet. Fällt genug Regen, dann wäscht er die Samen aus der Kapsel heraus. Wird es trocken, schließt sich die Kapsel wieder schützend über dem restlichen Vorrat an Samen (Abb. C).

<p><strong>Abb. C: Die geniale Samenkapsel</strong><br />Die Samenkapsel der Mittagsblume <em>D. nakurense</em> öffnet sich im richtigen Moment: Solange Trockenheit herrscht, verschließen fünf Deckel die Kapsel (links oben). Sobald es regnet, klappen die fünf Deckel der Kapsel auf (rechts oben). Der Mechanismus steckt in den Kielen der fünf „Deckelklappen“ (grün). Dort befinden sich Zellen, die mit Zellulose gefüllt sind. Bei Nässe quellen diese auf, was den Kiel in die „Offen-Stellung“ umklappen lässt. Umgekehrt schließt sich die „Deckelklappe“ wieder, wenn die Zellulose trocknet.</p> Bild vergrößern

Abb. C: Die geniale Samenkapsel
Die Samenkapsel der Mittagsblume D. nakurense öffnet sich im richtigen Moment: Solange Trockenheit herrscht, verschließen fünf Deckel die Kapsel (links oben). Sobald es regnet, klappen die fünf Deckel der Kapsel auf (rechts oben). Der Mechanismus steckt in den Kielen der fünf „Deckelklappen“ (grün). Dort befinden sich Zellen, die mit Zellulose gefüllt sind. Bei Nässe quellen diese auf, was den Kiel in die „Offen-Stellung“ umklappen lässt. Umgekehrt schließt sich die „Deckelklappe“ wieder, wenn die Zellulose trocknet.

Wie aber macht sie das? Das holzige Gewebe der Kapsel ist genauso tot wie das der Banksien-Zapfen. Der Mechanismus befindet sich auf der Innenseite der Klappen. Dort sitzt an jeder Klappe ein Kiel, der sie wie ein Scharnier mit der Kapsel verbindet. Wird der Kiel nass, dann dehnt er sich auf seiner Innenseite aus. Außen, zur Klappe hin, verhält er sich dagegen wie eine zähe Folie, die sich nicht auseinanderziehen lässt. Da die Außenseite dem Aufquellen der Innenseite nicht folgen kann, verbiegt sich der Kiel nach außen und öffnet die Klappe. Trocknet die Innenseite, dann schrumpft sie, und der Kiel schließt die Klappe wieder (Abb. C). Der innere Teil des Kiels besteht aus abgestorbenen Zellen, die mit Cellulose gefüllt sind. Cellulose kann viel Wasser aufnehmen und dabei enorm aufquellen. Die umhüllenden Zellwände dagegen enthalten das Biopolymer Lignin, das zusammen mit anderen Stoffen ein Aufquellen weitgehend verhindert. Die Form der Zellen steuert im Verbund das Quellen der Cellulose genau in die Richtung, in die sich der Kiel verlängern soll. Der Mechanismus ist so genial wie einfach – er braucht nur Wasser aus der Umwelt als „Antrieb“.

Mit diesem Wissen entwickelten die Golmer eine künstliche Wabenstruktur. Die Wände der Waben sind zweischichtig aufgebaut. Die äußere Schicht ist aus Holz, die innere aus einem speziellen Papier. Bei Kontakt mit Wasser quillt hier das Holz stärker als das Papier, damit bewegt sich die Struktur. Im Verbund lenken die Waben diese Bewegung in eine bestimmte Richtung, ähnlich wie die Zellen der Mittagsblume. Mit diesem Antrieb könnte man zum Beispiel Schirme konstruieren, die sich bei Regen öffnen, ganz ohne weitere Energiezufuhr (siehe Video-Tipps). „Diese Idee könnte aber auch für die Entwicklung neuer Roboter interessant sein“, sagt Fratzl und lockt Nachwuchsforscherinnen und -forscher mit dem Hinweis: „In der Bionik gibt es noch unendlich viel Spannendes zu entdecken!“

Der Gummiknochen-Versuch

Für dieses Experiment braucht man einen Knochen, beispielsweise ein gut gesäubertes Hühnerbein. Die zweite Zutat ist eine Säure. Zuhause steht Essigessenz zur Verfügung, in der Schule stärkere Salzsäure. Den Knochen legt man in eine Schüssel und übergießt ihn vorsichtig mit der Säure, bis er komplett bedeckt ist. Dann verschließt man die Schüssel und wartet einige Tage. Nach dem Bad hat der Knochen noch seine Form, aber er ist biegsam wie Gummi geworden. Der Grund: Die Säure hat die calciumhaltigen Biomineralkristalle aufgelöst, nur das elastische Kollagen-Netzwerk blieb übrig.

Hinweis: Der Umgang mit Salzsäure erfordert Schutzbrille, Schutzkittel und geeignete Handschuhe.

TECHMAX Ausgabe 24, Sommer 2017, Redaktion: Christina Beck, Autor: Roland Wengenmayr