Einwanderer mit Biss
Das Geheimnis hinter der großen Stabilität dieser natürlichen Injektionsnadel haben Bar-On und seine Kollegen nun am Beispiel der Jagdspinne Cupiennius salei genauer untersucht. Diese ursprünglich in Mittel- und Südamerika heimische Spinne wurde in den 1960er Jahren auch nach Deutschland eingeschleppt. Mit 3,5 Zentimetern Körperlänge und zehn Zentimetern Beinspanne ist der nächtliche Lauerjäger ziemlich groß und jagt kräftige Insekten und selbst kleine Säugetiere. Für ihre Studie vermaßen die Wissenschaftler zunächst mit Hilfe mikrotomografischer Aufnahmen die genaue Form und Struktur der hohlen, von einem Giftkanal durchzogenen Klauen dieser Jagdspinne.
Dabei zeigte sich, dass die Spinnenklauen geradezu ideal geformt sind, um starken Kräften standzuhalten: Zum einen sind sie konisch zulaufend geformt und ihr Durchmesser, aber auch ihre Wandstärke nehmen zur Basis hin deutlich zu. Dies verteilt die auf die Spitze einwirkenden Kräfte und verhindert, dass Klauen an ihrer Basis abbrechen, wie die Forscher berichten. Zum anderen entspricht die Krümmung der Klauen genau der Randlinie eines Viertelkreises, auch dies gibt Stabilität – zumindest wenn die zustoßende Bewegung genau dieser Linie folgt. “Aber der Beißmechanismus der Spinnen ist komplexer und die Klauen können auch in nichtkreisförmigen Bahnen bewegt werden”, so Bar-On und seine Kollegen. Das allein reicht daher nicht aus, um die Widerstandsfähigkeit der Klauen zu erklären.
Stabil durch geschichtete Fasern
Im nächsten Schritt analysierten die Forscher daher die Mikrostruktur der Spinnenklauen. Wie sie dabei feststellten, besteht die Klauenwand aus mehreren übereinanderliegenden Schichten von Chitin-Nanofasern in einer Proteinmatrix – im Prinzip also wie erwartet. Diese Nanofasern aber sind in jeder Schicht anders angeordnet: Lagen mit parallelen Chitinfasern wechseln sich mit Lagen aus gegeneinander verdrehten Fasern ab. Diese geschichtete Architektur verleiht den Spinnenklauen zusätzliche Stabilität, wie die Forscher erklären. Denn die parallelen, in Längsrichtung der Klaue ausgerichteten Lagen schützen sie vor dem Verbiegen und Brechen. Die Lagen mit den verdrehten Fasern dagegen besitzen eine hohe Widerstandskraft gegenüber Scherkräften – immerhin zwischen fünf und 100 Mal mehr als die parallelen Schichten. Das schützt die Spinnenklaue vor dem Verdrehen und Splittern.
“Dies zeigt, dass die Fangklauen der Spinnen von Natur aus perfekt angepasst konstruiert sind”, konstatieren die Forscher. Sie besitzen eine große Widerstandskraft und sind zudem durch ihre Struktur fest und steif genug, um Insektenpanzer durchbohren zu können. Gleichzeitig aber sind die Spinnenklauen damit ein weiteres Beispiel dafür, wie die Natur geschichtete Verbundmaterialien nutzt, um optimale mechanische Eigenschaften zu erhalten. Nach ähnlichem Schichtprinzip sind beispielsweise auch die leichten, aber festen Panzer von Schildkröten konstruiert, die harten Schnäbel von Oktopussen und die extrem reißfesten Haltefäden von Miesmuscheln. Nach Ansicht der Forscher bieten diese biologischen Verbundmaterialien wertvolle Tipps auch für die Produktion neuer, synthetischer Materialien – Abgucken bei der Natur lohnt sich.
