Tiefsee Ein perfekter Baumeister der Tiefsee

Die Natur ist für Werkstofforscher und Bauingenieure in vielen Dingen ein unerreichtes Vorbild. Das zeigt sich besonders an biologischen Materialien wie Zähnen und Knochen, die einerseits hart und robust, andererseits recht leicht sind. Aber auch an Muschelschalen oder Schneckenhäusern, deren Konstruktionsprinzip man nur allzu gerne technisch nutzen möchte. Ein weiteres faszinierendes Beispiel ist der Gießkannenschwamm Euplectella, auch Venusblumenkörbchen genannt. Sein löchriges Stützskelett besteht im wesentlichen aus sprödem Silikatglas. Und doch ist der Schwamm extrem stabil. Amerikanische und deutsche Forscher haben jetzt untersucht, was die Konstruktion fast unzerbrechlich macht.

Der im Schnitt zwanzig Zentimeter lange und vier Zentimeter dicke Gießkannenschwamm ähnelt auf den ersten Blick einem weißen löchrigen Strumpf. Nicht selten beherbergt er in seinem Inneren ein Pärchen einer bestimmten Garnelenart. Irgendwann als Larve durch die Löcher ins Innere gelangt, können die Krebse als ausgewachsene Tiere ihre Behausung nicht mehr verlassen. Erst der Nachwuchs kann durch die Öffnung gelangen. Wegen dieser lebenslangen Liaison ist Euplectella in Japan ein beliebtes Hochzeitsgeschenk. Aber es ist gar nicht so einfach, das netzstrumpfartige Gebilde an die Meeresoberfläche zu befördern, außer in der Sagamibucht, wo die japanischen Schwammtaucher die Gießkannenschwämme bereits aus vergleichsweise seichten vierzig Meter Tiefe holen können. Denn normalerweise fühlt sich Euplectella als typischer Tiefseebewohner erst in einigen hundert bis mehreren tausend Metern Wassertiefe richtig wohl - bevorzugt in westpazifischen Gewässern. Dort setzt sich das Venusblumenkörbchen mit seinem Büschel feiner, einige Zentimeter langer Nadeln, den Spiculae, im schlammigen Boden des Meeresgrundes fest.

Besserer Lichtleiter als Glasfaser

Daß das Venusblumenkörbchen auch in physikalischer Hinsicht ein ungewöhnlicher Meeresbewohner ist, haben vor zwei Jahren Joanna Aizenberg und ihre Kollegen von den Bell-Laboratories in Murray Hill (New Jersey) herausgefunden, als sie die optischen Eigenschaften der Spiculae unter die Lupe nahmen. Ihr Ergebnis: Die fast unverwüstlichen nadelförmigen Fortsätze leiten das Licht zum Teil besser als so manche herkömmliche Glasfaser. Ihre Arbeitsgruppe ist jetzt gemeinsam mit Forschern von der University of California in Santa Barbara und Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam der Frage nachgegangen, wie es dem Glasschwamm gelingt, den beträchtlichen Beanspruchungen in der Tiefsee zu widerstehen. Frau Aizenberg und ihre Mitarbeiter haben mindestens sieben hierarchische Ebenen - vom Nanometer- bis in den Zentimeterbereich - identifiziert, auf denen die Stabilität des Glaskäfigs beruht.

Wie die Forscher in der Zeitschrift "Science" (Bd.309, S.275) berichten, finden sich die untersten drei Ebenen im Inneren der Fasern, die ihrerseits aus zahlreichen konzentrisch angeordneten Silikatschichten bestehen. Die einzelnen Lagen, deren Durchmesser von 1,5 bis 0,2 Mikrometer variieren, sind durch einen speziellen organischen Kleister miteinander verklebt. Die Glasschichten selbst setzen sich aus fünfzig bis zweihundert Nanometer großen Silikatpartikeln zusammen, weshalb für die Forscher diese die unterste der sieben hierarchischen Ebenen ist. Elektronenmikroskopische Aufnahmen, angefertigt nach Ätzversuchen, belegen die nanoskopische Struktur der Glaslamellen.

Außergewöhnlich robust

Die natürlichen Glasfasern sind aufgrund ihres speziellen Aufbaus zum einen außergewöhnlich robust. Risse und Kratzer, die zum Beispiel durch die Zangen der Garnelen hervorgerufen werden können, führen daher nicht so leicht zum Bruch, denn Risse werden an den organischen Zwischenschichten abgelenkt und so daran gehindert, daß sie sich im Material ausbreiten. Zum anderen zeichnen sich die Fasern durch eine extreme Flexibilität aus. So kann man sie verknoten, ohne daß sie dabei Schaden nehmen.

Damit aus dem Grundmaterial ein stabiler Käfig wird, hat sich Euplectella weitere bautechnische Finessen einfallen lassen. So sind in der vierten Ebene Fasern unterschiedlicher Stärke zu dicken Bündeln zusammengefaßt. Silikatglas dient dabei als Bindemittel und sorgt dafür, daß aus den Bündeln stabile Verstrebungen werden. Diese sind nun vertikal, horizontal und diagonal ähnlich einer Fachwerkkonstruktion zu einem lockeren Netz verwoben. Dieses Geflecht bildet die fünfte Ebene des hierarchischen Aufbaus. Die diagonalen Verstrebungen versteifen die gesamte Konstruktion und wirken möglichen Scherkräften entgegen - ein Prinzip, das auch bei Bauwerken häufig verwendet wird.

Bruchfeste Strukturen aus sprödem Material

Das Netzwerk ist zusätzlich durch spiralförmige Rippen verstärkt - die sechste Ebene. Das soll verhindern, daß der Käfig Euplectellas in großen Wassertiefen zusammengedrückt wird. Die siebte und letzte hierarchische Ebene ist die geschwungene Form des Glasschwamms selbst, der sich nach unten verjüngt. Dort sitzen auch die Spiculae, mit denen er im Meeresboden fest verankert ist.

Für die Forscher ist Euplectella ein Lehrbuchbeispiel, wie sich mit spröden Materialien bruchfeste Strukturen erzeugen lassen. Zwar werden einige Konstruktionsweisen, die die Forscher bei Euplectella verwirklicht gefunden haben, auch schon seit langem beim Bau von Gebäuden, Türmen oder Brücken verwendet - der Swiss Re Tower in London, das Hotel de Las Artes in Barcelona und der Eifelturm in Paris sind nur einige Beispiele. Das wirklich Erstaunliche an Euplectella ist für Aizenberg und ihre Kollegen aber letztlich die Tatsache, daß der Tiefseeschwamm die Prinzipien auf Größenskalen vom Nanometer- bis zum Zentimeterbereich perfektioniert hat. Hat man dem Venusblumenkörbchen auch wesentliche Geheimnisse entlockt, ist immer noch rätselhaft, wie ein solcher vergleichsweise primitiver Organismus ein derart komplexes Käfiggebilde hervorbringen kann. Die Natur zeigt sich einmal mehr als großer Lehrmeister.