Materialermüdung und Reparaturmechanismen in Exoskeletten von Insekten

Overview

Die Kutikula von Insekten ist eines der häufigsten und vielseitigsten biologischen Materialien. Wie jede andere biologische Struktur sind auch diese Exoskelette ständig der Gefahr ausgesetzt, durch ihre Umgebung beschädigt zu werden. Bislang wurden in den meisten Studien zur Kutikula-Biomechanik nur "statische" Materialparameter wie Steifigkeit, Festigkeit, Härte und Bruchzähigkeit gemessen. Im Laufe des Lebens eines Insekts sind jedoch viele Teile des Exoskeletts einer hohen Anzahl von zyklischen Belastungen ausgesetzt. Daher beschreiben diese Studien vermutlich nur einen Teil der biomechanischen Eigenschaften von Kutikula. Überraschenderweise ist im Verhältnis zu seiner biologischen Bedeutung nur sehr wenig über die Reaktion von Kutikula-Exoskeletts auf zyklische Belastungen bekannt. Halten die Körperteile des Exoskeletts den während des normalen Lebenszyklus eines Insekts auftretenden Belastungen einfach nur stand und/oder sind sie in der Lage, ermüdungsbedingte Schäden selektiv zu reparieren? Die Biomechanik der Ermüdung und der Reparatur von Exoskeletten ist ein nahezu unerforschtes Gebiet mit mehreren offenen grundlegenden Fragestellungen. Um einen Ausgangspunkt für zukünftige Forschungen zu schaffen, werden wir eine der ersten systematischen Studien zu den Ermüdungs- und Reparaturmechanismen in Insektenexoskeletten durchführen. Wir werden untersuchen, a) ob verschiedene Körperteile des Exoskeletts unterschiedlich auf Ermüdung reagieren, b) ob die Nutzung eines Körperteils des Exoskeletts mit dem jeweiligen Ermüdungsmechanismus korreliert und c) wie die Ermüdungseigenschaften mit der histologischen Zusammensetzung der Kutikula zusammenhängen. Um diese Fragen zu untersuchen, werden wir einen interdisziplinären Ansatz verwenden, der Biologie, Materialwissenschaften und Ingenieurswissenschaften miteinander verbindet. Wir werden zunächst eine umfassende morphologische Charakterisierung von repräsentativen Proben von biomechanischen Modelorganismen durchführen. Wir werden dann Reaktionen von Körperteilen mit unterschiedlichen natürlichen Belastungsszenarien auf zyklische Belastung charakterisieren. Biomechanische in vivo Experimente und in situ Tests werden es uns ermöglichen, die mögliche Rolle von Mikrobeschädigungen und Reparaturmechanismen zu untersuchen. Um die grundlegenden "proximalen" Mechanismen zu untersuchen, die die Unterschiede in der Ermüdungsreaktion der Kutikula bestimmen, werden wir anschließend eine detaillierte histologische Charakterisierung der jeweiligen Körperteile durchführen und die Ultrastruktur der Kutikula mit der jeweiligen Ermüdungsreaktion korrelieren. Die Ergebnisse unserer Studie werden experimentelle Daten darüber liefern, wie Insektenexoskelette auf zyklische Belastung reagieren. Sie werden uns einen ersten Einblick in die grundlegenden biomechanischen Prinzipien der Ermüdung von Insektenexoskeletten ermöglichen und uns helfen, einige der Geheimnisse des evolutionären Erfolgs der Insekten zu verstehen.