Wissenschaftler untersuchten die Mikrostruktur der Korallen zerkauenden Zähne des hier abgebildeten Steilkopf-Papageienfisches, um mehr über den kräftigen Biss des Fisches zu erfahren. (Credit: Alex The Reef Fish Geek/Nautilus Scuba Club, Cairns, Australien)
So, Sie dachten, der fiktive menschenfressende Weiße Hai im Film „Der weiße Hai“ hätte einen kräftigen Biss.
Aber übersehen Sie nicht das mächtige Maul des Papageienfisches – seine robusten Zähne erlauben es ihm, den ganzen Tag lang auf Korallen zu kauen und sie schließlich durch Verdauung zu feinem Sand zu zermahlen. Das ist richtig: Sein „Schnabel“ schafft Strände. Ein einziger Papageienfisch kann jedes Jahr Hunderte von Pfund Sand produzieren.
Nun hat eine Studie von Wissenschaftlern – unter anderem vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums – eine kettenpanzerartig gewebte Mikrostruktur enthüllt, die den Zähnen des Papageienfisches ihren bemerkenswerten Biss und ihre Widerstandsfähigkeit verleiht.
Die natürliche Struktur, die sie beobachtet haben, liefert auch eine Blaupause für die Schaffung von ultra-haltbaren synthetischen Materialien, die für mechanische Komponenten in der Elektronik und in anderen Geräten, die wiederholten Bewegungen, Abrieb und Kontaktstress ausgesetzt sind, nützlich sein könnten.
Matthew Marcus, ein Wissenschaftler, der an der Advanced Light Source (ALS) des Berkeley Labs arbeitet – einer Röntgenquelle, die als Synchrotronlichtquelle bekannt ist und an der Studie mit dem Papageienfisch beteiligt war – wurde während eines Besuchs im Great Barrier Reef vor der Küste Australiens im Jahr 2012 auf den Papageienfisch aufmerksam.
Betrachten Sie eine Animation dieses Bildes. Dieses Bild, das aus Röntgen-Mikro-Computertomographie-Daten generiert wurde, die an der Advanced Light Source des Berkeley Labs gesammelt wurden, zeigt die Ansicht eines Viertels eines Papageienfischschnabels. Die dichtere, schmelzähnliche Struktur (enameloid) ist in gelb und grün dargestellt, und das knöcherne Gewebe (dentin) hinter jedem Zahn und der umgebende Knochen ist in cyan und blau dargestellt. (Berkeley Lab)
Ein Video über das Leben im Meer, das er sich auf einem Ausflugsboot ansah, erinnerte ihn an die Rolle der Papageienfische beim Abbau von Korallen in feinen Sand. Sie ernähren sich hauptsächlich von den Polypen und Algen, die auf der Oberfläche von Korallenskeletten leben, und helfen, Riffe zu säubern. Die Härte der Zähne des Papageienfisches, gemessen in der Nähe der Beißfläche, beträgt etwa 530 Tonnen Druck pro Quadratzoll – das entspricht einem Stapel von etwa 88 afrikanischen Elefanten – komprimiert auf einen Quadratzoll Raum.
„Ich wurde daran erinnert, dass dies ein Fisch ist, der den ganzen Tag Korallen zerkleinert und für einen Großteil des weißen Sandes an Stränden verantwortlich ist“, sagte Marcus. „Aber wie kann dieser Fisch Korallen fressen und dabei seine Zähne nicht verlieren?“
Zurück an der ALS fragte Marcus Pupa Gilbert – eine Biophysikerin und Professorin im Fachbereich Physik an der University of Wisconsin-Madison, die untersucht, wie Lebewesen Mineralien produzieren – ob sie daran interessiert sei, die Zähne des Papageienfisches zu untersuchen.
Gilbert sagte, dass sie „enthusiastisch“ auf die Herausforderung reagierte. Sie leitete ein internationales Team bei der Studie und erhielt Papageienfischschnäbel von Mitarbeitern in Französisch-Polynesien. Ihre Mitarbeiter von der Nanyang Technical University in Singapur – Ali Miserez, ein außerordentlicher Professor, der biologische Materialien mit einzigartigen Eigenschaften untersucht, und seine Gruppe – führten die mechanischen Messungen für die Studie durch. Gilbert führte die meisten der strukturellen Studien durch, um zu verstehen, wie Papageienfischzähne funktionieren.
Marcus diente als Erstautor in dieser neuesten Studie, die von Gilbert geleitet und am 20. Oktober online in der Zeitschrift ACS Nano veröffentlicht wurde. Gilbert hatte Marcus zuvor in eine ihrer Studien einbezogen, die sich mit Perlmutt beschäftigte, der bruchfesten, schillernden Beschichtung, die als Perlmutt bekannt ist und die Innenseite einiger Molluskenschalen auskleidet. Perlmutt hat R&D dazu inspiriert, seine Festigkeitseigenschaften mit synthetischen Materialien zu imitieren.
Diese und ähnliche Studien beruhen auf einer Technik, die als PIC (polarisationsabhängiger Bildkontrast) bekannt ist und die Gilbert erfunden hat und an der ALS weiterentwickelt. Beim PIC-Mapping wird die Polarisation von Röntgenstrahlen gedreht, um die Analyse und Darstellung der nanoskaligen Kristallorientierung in Perlmutt und anderen Biomineralen zu ermöglichen.
„Die ALS ist der erste Ort, an dem PIC-Mapping durchgeführt wurde“, sagt Gilbert. „Man kann auf einen Blick verstehen, wie jeder Nanokristall in einem gegebenen Bild orientiert ist.“
Sie fügte hinzu: „Wenn man sich einen Zahn oder einen Knochen oder eine Muschelschale oder ein Stück Koralle ansieht, ist das superinteressant. Es zeigt Ihnen, wie die Nanokristalle zueinander angeordnet sind. Sie können diese wunderschönen Bilder sehen, die besser als abstrakte Kunst aussehen, und lernen, wie Biominerale sich bilden und funktionieren.“
Eine röntgenbasierte Technik, die als PIC-Mapping bekannt ist, zeigt die Größe und Ausrichtung der Fasern an der Rückseite (links), der Mitte (Mitte) und der Spitze (rechts) der enameloiden Schicht des Beißzahns eines Papageienfisches. Der Orientierungswinkel der Kristalle ist farbkodiert (Grafik unten). (Credit: Berkeley Lab)
In dieser neuesten Studie wollten Gilbert, Marcus und Miserez sehen, wie die feine Kristallstruktur von Papageienfischzähnen zu ihrer unglaublichen Stärke beiträgt. Die Forscher waren in der Lage, die Ausrichtung einzelner Kristalle zu visualisieren, was ihre kompliziert verwobene Struktur zeigte.
Fluorapatit, das Mineral, das für die Kristallstruktur der Papageienfischzähne verantwortlich ist, enthält Kalzium, Fluor, Phosphor und Sauerstoff.
Die Studie zeigte, dass die Fluorapatit-Kristalle, die den Papageienfischzähnen ihre Festigkeit verleihen, jeweils etwa 100 Nanometer (Milliardstel Meter) breit und mehrere Mikrometer (Millionstel Meter) lang sind und zu verwobenen Bündeln zusammengesetzt sind. Die Bündel nehmen im durchschnittlichen Durchmesser von etwa 5 Mikrometer auf etwa 2 Mikrometer in Richtung der Zahnspitze ab.
Während der Zahnschmelz von vielen verschiedenen Tierarten in konventionellen Mikroskopen ähnlich aussehen kann, merkt Gilbert an, dass diese Bilder die einzigartige Orientierung der Kristalle in der Schmelzstruktur der Zähne übersehen können. Und die Kristallorientierung, so Gilbert, „erzählt eine große Geschichte darüber, wie verschiedene Zähne für verschiedene Funktionen spezialisiert sind“
Im Fall der Papageienfische sind die kontinuierlich wachsenden Zahnreihen, die eine schnabelartige Struktur bilden, die ständig ältere, abgenutzte Zähne durch neue ersetzt, auch ein wesentlicher Bestandteil ihres spezialisierten Fressverhaltens. Nur Chitons haben härtere Zähne als Papageienfische, so Gilbert, und kein anderes Biomineral ist an der Beißspitze steifer als Papageienfischzähne.
Diese Falschfarben-3-D-Animation (Animation größer ansehen) zeigt die Anordnung der Zahnreihen von Papageienfischen. (Credit: Berkeley Lab)
„Papageienfischzähne sind die coolsten Biominerale von allen“, sagte Gilbert. „Sie sind die steifsten, gehören zu den härtesten und sind die widerstandsfähigsten gegen Bruch und Abrieb, die jemals gemessen wurden.“ Papageienfische haben etwa 1.000 Zähne, die in etwa 15 Reihen angeordnet sind, und jeder Zahn ist mit allen anderen zementiert und von Knochen umgeben, um einen soliden Schnabel zu bilden – Haifischzähne hingegen sind nicht auf diese Weise miteinander verbunden.
Die mechanischen Messungen für die Studie, die sich auf Zahnproben eines Steilkopf-Papageienfisches (Chlorurus microrhinos) konzentrierte, ergaben, dass die Härte und Steifigkeit in Richtung der Spitze jedes Zahns zunimmt. Die PIC-Mapping-Experimente an der ALS zeigten, dass sich mit zunehmender Härte und Steifigkeit der Durchmesser der Kristallbündel verengt.
Zusätzlich zu der PIC-Mapping-Studie, bei der ein so genanntes Photoemissions-Elektronenmikroskop (PEEM) an der ALS zum Einsatz kam, wurden in separaten ALS-Experimenten eine 3-D-Bildgebungstechnologie, die so genannte Röntgenmikrotomographie, und eine weitere Röntgenmethode, die so genannte Mikrodiffraktion, verwendet, um die Kristallorientierungen und Dehnungen der Zähne weiter zu analysieren.
Dieses Diagramm (größere Ansicht) zeigt, dass Papageienfisch-Schmelz zu den steifsten aller Biominerale gehört und zusammen mit Haifisch-Schmelz härter ist als andere Wirbeltierzähne. (Credit: ACS Nano, 10.1021/acsnano.7b05044)
„Die Verflechtungscharakteristik und die Kristallorientierungen sind völlig offen, um für die Herstellung von synthetischen Materialien erforscht zu werden“, sagt Gilbert. „Weben ist eines der ältesten Dinge, die Menschen gelernt haben. Man könnte tatsächlich an das Weben von Kristallen denken, da Kristalle flexibel werden, wenn sie sehr dünn sind.“
Bereits jetzt, so Gilbert, gibt es viele gut entwickelte Bemühungen, die Struktur des menschlichen Zahnschmelzes mit Methoden der Nanofabrikation zu replizieren.
Gilbert und Marcus schlugen vor, dass sich zukünftige Experimente an der ALS auf einen separaten Satz von Zähnen (Rachenzähne) konzentrieren könnten, die Korallenstücke im Rachen von Papageienfischen weiter zerkleinern.
„The sky’s the limit at this point“, sagte Gilbert. „
Die Advanced Light Source ist eine DOE Office of Science User Facility.
Auch andere Wissenschaftler der Advanced Light Source des Berkeley Lab und der University of Wisconsin-Madison sowie Forscher der Nanyang Technological University in Singapur waren an der Studie beteiligt. Die Arbeit wurde vom U.S. Department of Energy Office of Science, der National Science Foundation und der Singapore National Research Foundation unterstützt.
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Das Lawrence Berkeley National Laboratory widmet sich den dringendsten wissenschaftlichen Herausforderungen der Welt, indem es nachhaltige Energie fördert, die menschliche Gesundheit schützt, neue Materialien entwickelt und den Ursprung und das Schicksal des Universums erforscht. Das 1931 gegründete Berkeley Lab wurde für seine wissenschaftliche Expertise mit 13 Nobelpreisen ausgezeichnet. Die Universität von Kalifornien verwaltet das Berkeley Lab für das U.S. Department of Energy’s Office of Science. Weitere Informationen finden Sie unter www.lbl.gov.
Das Office of Science des U.S.-Energieministeriums ist der größte Unterstützer der physikalischen Grundlagenforschung in den Vereinigten Staaten und arbeitet daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen. Für weitere Informationen besuchen Sie bitte science.energy.gov.