Wer jemals versucht hat, einen Kunststoff-Saugnapf auf ein Stück Schmirgelpapier zu heften, weiß: Man hat keine Chance. Der kleine Schildfisch Gobiesox maeandricus wird mit derartig rauen Untergründen dagegen spielend fertig. Er setzt zwar auch auf ein Saugnapf-Prinzip, hat das System aber so clever modifiziert, dass er sich auf muschelverkrusteten Steinen ebenso gut festklammern kann wie auf Felsen mit glitschigen Algen. Wie er das macht, haben nun Forscher aus den USA und aus Kiel aufgedeckt.
Man nennt es Saugscheibe, das ungewöhnliche Organ am Bauch der Schildfische: Es ist nahezu kreisrund, besteht aus Teilen der Brust- und der Bauchflossen, besitzt zwei kanalartige Öffnungen und verfügt über einen fransigen Rand. Für die Tiere, die auch Schildbäuche oder passenderweise Ansauger genannt werden, ist es unverzichtbar, denn sie leben in flachen Küstengebieten des Pazifiks und zwar dort, wo die Wellen brechen und starke Strömungen herrschen. Damit sie nicht ständig von den Elementen hin- und hergeworfen werden, saugen sich die kleinen Fische an Steinen und anderen Untergründen fest. Dazu drücken sie sich mit dem Körper nach unten und pressen dabei das Wasser unter der Scheibe hervor, um so einen Unterdruck zu erzeugen. Dabei scheint es ihnen völlig egal zu sein, wie die Oberflächen dieser Untergründe beschaffen sind Muscheln werden dabei ebenso genutzt wie poröse Steine oder andere Bodenstrukturen.
Nachahmen erwünscht
Ein Saugnapf, der auch auf der rauesten Oberfläche haftet, wäre auch für viele verschiedene Anwendungen in der Industrie, der Medizin oder im Haushalt interessant. Doch Nachahmen geht nur, wenn man das Prinzip verstanden hat, dachten sich Dylan Wainwright und seine Kollegen und untersuchten das Haftprinzip von G. maeandricus genauer. Dafür mussten allerdings einige Fische ihr Leben lassen, denn lebende Tiere dazu zu bewegen, für die Messungen still zu halten, sei völlig aussichtlos, erläutert das Team. Das Saugsystem toter Schildfische liefert dagegen immer noch etwa 96 Prozent der Leistung, die es beim lebenden Fisch erbringt, so dass es sich für eine Untersuchung fast ebenso gut eignet.
Als Untergründe wählten die Wissenschaftler Schmirgelpapier genauer gesagt: Epoxidharz-Abgüsse von Schmirgelpapier mit verschiedenen Korngrößen, von sehr fein mit einer 1000er Körnung bis zur groben 40er Körnung. Zum Vergleich fertigten sie zudem noch einen Abguss einer Glasscheibe an, die nahezu vollständig glatt ist. Dann ließen sie die Schildfische gegen Kunststoff-Saugnäpfe verschiedener Größen antreten. In jedem Versuch wurde Fisch oder Saugnapf auf die Oberfläche geheftet. Anschließend übten die Forscher mit Hilfe einer Maschine einen gleichmäßigen Zug auf das Objekt aus. Gemessen wurde dann, bei welcher Kraft sich Fisch und Napf vom Untergrund lösten.
Schlechte Haftbedingungen auf glatten Oberflächen
Das Ergebnis: Die Fische hafteten auf allen Oberflächen gleich gut außer auf der Glasscheibe, da gelang ihnen das Festhalten nicht ganz so gut. Sie hielten dabei Kräften stand, die dem 80- bis 230-Fachen ihres Körpergewichts entsprachen. Der Unterdruck, den sie in ihrem Saugsystem erzeugten, müsse demnach bei 0,2 bis 0,5 bar gelegen haben, errechnete das Team. Bei den Kunststoffsaugnäpfen sah die Situation dagegen völlig anders aus: Sie schafften auf den drei glattesten Strukturen zwar sogar bessere Ergebnisse als die Fische, versagten aber bei raueren Oberflächen völlig.
Ein Blick durchs Elektronenmikroskop zeigte den Forschern dann das Geheimnis des Schildbauch-Erfolges: Ihre Saugscheibe ist nicht glatt, sondern vor allem am Rand mit feinen Stäbchen besetzt, die sich an ihrer Spitze in noch feinere Strukturen verzweigen. Auf den ersten Blick hätten sie sich sofort an die Härchen auf den Füßen von Geckos erinnert gefühlt, schreiben die Wissenschaftler. Allerdings gehen sie nicht davon aus, dass auch die Fische die Van-der-Waals-Kräfte nutzen, die den Geckos so beeindruckende Stunts erlauben dagegen spreche schon, dass die Schildbäuche normalerweise von einem zähen Schleim bedeckt sind, der derartige Wechselwirkungen vermutlich verhindert.
Der Trick: Reibung erzeugen
Die Ähnlichkeit im Erscheinungsbild scheint vielmehr ein Zufall zu sein. Denn die Verzweigungen an der Saugscheibe dienen wohl eher dazu, die Reibung zwischen Scheibe und Oberfläche zu verstärken, sind die Forscher überzeugt. Zieht man nämlich an einem normalen Kunststoffsaugnapf, gleiten dessen Ränder irgendwann nach innen, verlieren dabei die Haftung mit dem Boden und lassen Luft oder Wasser ins Innere einströmen der Unterdruck geht verloren. Gibt es am Rand jedoch ausreichend Reibung mit der Oberfläche, kann dieses Gleiten gar nicht erst einsetzen und der Napf beziehungsweise die Scheibe bleibt kleben. Das erkläre auch, warum die Fische auf der Glasscheibe so ihre Probleme hatten, erläutert das Team: Dort gibt es aufgrund der glatten Oberfläche nur wenig Reibung, so dass das System nicht greifen kann.
Die Forscher sehen bereits künstliche Saugscheiben vor sich. Dazu müsse es nur gelingen, die Feinstruktur am Rand der Scheibe nachzuahmen und das Material entsprechend flexibel zu gestalten, damit es sich jeder Unebenheit anpassen kann, schreiben sie.
Dylan Wainwright (Duke University, Durham) et al.: Journal of the Royal Society: Biology Letters, doi: 10.1098/rsbl.2013.0234 © wissenschaft.de Ilka Lehnen-Beyel
