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Was können wir von Schwämmen lernen?

Bei dem Wort Schwamm denken die meisten wohl erstmal ans Putzen. Schwämme bilden aber auch einen eigenen Tierstamm in der Biologie. Sie sind äußerst überlebensfähige Unterwassertiere, die sich im Laufe der Evolution an viele widrige Umgebungen angepasst haben. Ihre erstaunlichen Fähigkeiten haben die Wissenschaft schon häufig inspiriert.

Auch wenn sie sich nicht bewegen und eher wie eine Pflanze aussehen: Schwämme sind Tiere. Sie ernähren sich, indem sie Meerwasser durch ihren Körper pumpen und dabei Bakterien und Plankton rausfiltern. Schwämme gelten übrigens als die ältesten mehrzelligen Tiere der Erdgeschichte und damit auch als Urahn der Menschen. Manche Schwämme sollen sogar über 10.000 Jahre alt sein. Ihr Lebensraum erstreckt sich über alle Weltmeere hinweg und sie schaffen es sogar im Eiswasser der Antarktis und in der Tiefsee zu überleben. Schwämme sind also wahre Überlebenskünstler.

Stabilität als Vorbild

Diese Fähigkeit bringt unter anderem Materialwissenschaftler und Medizinforscher dazu, sich von maritimen Schwämmen inspirieren zu lassen. Sie glauben, dass wir einiges von ihnen lernen können. In der Bionik gibt es heute schon ein paar Anwendungen, die den Schwämmen nachempfunden wurden.

Wenn uns ein Wasserglas runterfällt, ist es schnell kaputt. Glasschwämme bestehen ebenfalls zu großen Teilen aus Glas, also Siliziumdioxid, sind aber äußerst robust und können auch starken Belastungen ausgesetzt werden, ohne zu zerbrechen. Dieser Zusammenhang fasziniert besonders Materialwissenschaftler. Nach und nach kommen sie dem Geheimnis der Tiefseebewohner allerdings auf die Spur.

Robustes Glasfasernetz

Bereits 2005 gelang es einem internationalen Forscherteam, die verschiedenen Ebenen des Glasschwamms Euplectella aspergillum, der auch auf den Namen Gießkannenschwamm hört, genauer zu untersuchen. So konnten sie erstmals Klarheit über die stabilen Glasfasern erhalten. Verantwortlich ist demnach die Kombination verschiedener Techniken.

Schon auf einer Größenskala von wenigen Mikrometern konnten die Wissenschaftler die Grundlage der Stabilität identifizieren. Die einzelnen Fasern der Schwämme bestehen demnach aus verschieden dicken Silikatsträngen, die mithilfe von organischen Klebstoffen und einer Art Zement miteinander verwoben sind. Die entstehenden Fasern wiederum sind in einem Fachwerkmuster angeordnet und geben dem Schwamm so auch auf einer größeren Ebene eine hohe Belastbarkeit.

Gitter-Anordnung auf dem Prüfstand

In einer weiteren Studie bauten Wissenschaftler der Harvard University mithilfe eines 3D-Druckers verschiedene Gitterstrukturen nach, um ihre Stabilität zu untersuchen. Sie testeten unter anderem ein einfaches quadratisches Gitter, ein Kreuzgitter und eine Struktur nach dem Vorbild des Gießkannenschwamms. Um eine gute Vergleichbarkeit zu schaffen, nutzten die Forscher immer eine konstante Materialmenge.

Das Ergebnis: In allen Belastungstests schnitt die Schwammstruktur am besten ab. „Darüber hinaus konnten wir mithilfe eines evolutionären Optimierungsalgorithmus zeigen, dass die von den Schwämmen inspirierte Gittergeometrie sich der optimalen Materialverteilung für den betrachteten Raum annähert“, so die Forscher. Die Glasschwämme haben im Laufe ihrer Evolution also die effizienteste und stabilste Struktur entwickelt. Dadurch schaffen sie es auch in tausenden Metern Tiefe in die Höhe zu wachsen und Krebstieren und anderen Feinden standzuhalten.

Die harten Strukturen schützen übrigens nicht nur den Schwamm selbst. Bei einigen Glasschwämmen nisten sich junge Garnelenpaare innerhalb des Geflechts ein. Die Krebstiere gehen so einen lebenslangen Pakt ein: Sie sind schnell zu groß, um durch die Öffnungen des Schwammgitters wieder rauszukommenn und ihre Zangen können dem Silikat nichts anhaben. So sind sie zwar eingesperrt, aber auch geschützt. Ein weiterer Vorteil: Der Schwamm pumpt den Garnelen durchgängig frisches und nährstoffreiches Wasser zu.

Elastischer Kalk aus dem Labor

Stabilität und Flexibilität müssen sich jedoch nicht ausschließen. Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben sich in einer Versuchsreihe ebenfalls Tiefseeschwämme zum Vorbild genommen, um eine Art elastischen Kalk herzustellen.

Als Grundlage dienten den Forschern Skelettnadeln aus Calciumkarbonat, wie sie auch in Kalkschwämmen vorkommen. Diese wurden mithilfe des Proteins Silicatein-α angeordnet und verklebt. Das entstandene Hybridmaterial war dadurch äußerst widerstandsfähig, konnte aufgrund der organischen Anteile aber noch verbogen werden. Die Wissenschaftler können sich so erzeugte Strukturen beispielsweise als Grundlage für Körperrüstungen vorstellen.

Schwämme stressen gegen Krebs

Schwämme sind aber nicht nur wegen ihres stabilen Körperbaus Überlebenskünstler. Sie können sich auch chemisch vor Schadstoffen und anderen Bedrohungen schützen. Diese Fähigkeit bietet weitere bionische Anwendungsgebiete. Wissenschaftler extrahierten im Laufe der Zeit schon mehrere Wirkstoffe aus Schwämmen, die sich als mögliche Krebsmedikamente herausstellen könnten.

Das Problem hierbei: Die aus den Schwämmen gesammelten Mengen reichen oft nicht aus, um handfeste Forschungsergebnisse zu erzeugen. Außerdem produzieren gezüchtete Schwämme kaum Abwehrstoffe, da ihnen oft der Anreiz dazu fehlt. In der Laborumgebung sind sie nicht gestresst genug.

JFL, 25.11.2021
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