Bewegungen sollten möglichst reibungslos ablaufen: In den Gelenken von Wirbeltieren wie dem Menschen sorgt Flüssigkeit dafür, dass Gliedmaßen schmerzfrei bewegt werden können und der Verschleiß dabei gering bleibt. Bei Insekten mit ihrem Außenskelett sind die Gelenke hingegen ganz anders aufgebaut: Sie sind unverkapselt und damit Umwelteinflüssen teilweise direkt ausgesetzt. Sie ähneln somit eher Elementen von Robotiksystemen. Offensichtlich sind die Gelenke der Insekten allerdings sehr leistungsfähig – die unzähligen Arten haben eine beeindruckende Bewegungsfähigkeit hervorgebracht. „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 von der Universität Kiel.
Wie Insektengelenke ohne schützende Kapseln funktionieren, haben Gorb und seine Kollegen am Beispiel des etwa zwei Zentimeter großen Großen Schwarzkäfers (Zophobas morio) untersucht, der für Laborstudien leicht vermehrt werden kann. Zunächst entdeckten sie durch rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen auf den Kontaktflächen der Käfergelenke unzählige Poren, die nur ein tausendstel Millimeter groß sind. Wie sich zeigte, produzieren sie dünne Stränge einer Substanz mit einer ungewöhnlichen, wachsartigen Konsistenz. Die Absonderungen zerbrechen dabei teilweise und bilden kleine Klumpen. Die genaue Zusammensetzung bleibt zwar noch unklar, doch Untersuchungen mittels Infrarotspektroskopie konnten zumindest zeigen, dass der Stoff zum Großteil aus Proteinen besteht.
Leistungsstarke Gelenkschmiere
Um der Vermutung nachzugehen, dass es sich um ein Schmiermittel handelt, gewannen die Wissenschaftler das Material zunächst aus zahlreichen Käfergelenken. Die Ausbeute setzten sie dann für Versuche ein, bei denen sie den Stoff zwischen zwei Glasoberflächen einbrachten. Anschließend wurde erfasst, welche Reibungskräfte wirken, wenn die beiden Oberflächen gegeneinander bewegt werden. Zum Vergleich führten sie die Tests mit dem Kunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE) durch – besser bekannt unter dem Handelsnamen Teflon. „Unsere Experimente zeigten, dass die Gleitwirkung der Käfersubstanz der von Teflon ähnelt, was bekanntlich die beste Antireibung-Wirkung hat, die sich zurzeit künstlich herstellen lässt“, berichtet Erstautor Konstantin Nadein von der Universität Kiel.
Wie die Forscher erklären, ist wohl die besondere Konsistenz der Substanz ausschlaggebend für ihre Funktion beim Verschleißschutz: Die feinen Klumpen, die sich aus den Strängen bilden, wirken wahrscheinlich wie ein Polster, das den direkten Kontakt zwischen den Gelenkoberflächen verhindert. Außerdem ist die Festigkeit des Schmierstoffes bei den offenliegenden Gelenken der Insekten wichtig. Denn ein flüssiges Material wie in den Gelenkkapseln von Wirbeltieren würde bei den Insekten austrocknen, erklären die Wissenschaftler.
