Die Festigkeit eines Spinnennetzes hängt nicht allein von der Seide ab

Hierarchische Struktur der Spinnenseide (Zina Deretsky (National Science Foundation), in collaboration with S. Cranford, G. Bratzel and M. J. Buehler (MIT), and Rihcard C. Yu and Andaluz Yu of Green Pacific Biologicals)
Hierarchische Struktur der Spinnenseide (Zina Deretsky (National Science Foundation), in collaboration with S. Cranford, G. Bratzel and M. J. Buehler (MIT), and Rihcard C. Yu and Andaluz Yu of Green Pacific Biologicals)

Obwohl Forscher seit Langem von der unglaublichen Stärke der Spinnenseide wissen, kann die robuste Natur der winzigen Filamente alleine nicht erklären, wie Netze die Winde überstehen, welche die Stärke von Wirbelstürmen übersteigen.

Jetzt zeigt eine Studie, die experimentelle Beobachtungen von Spinnennetzen mit komplexen Computersimulationen kombiniert, dass die Widerstandsfähigkeit der Netze nicht nur von der Stärke der Seide abhängt, sondern auch davon, wie das gesamte Netz-Design Beschädigungen ausgleicht, sowie der Reaktion einzelner Fäden auf ständig wechselnde Beanspruchungen.

In der Titel-Story der Nature-Ausgabe vom 2. Februar 2012 berichten Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Politecnico di Torino (Polytechnikum Turin) in Italien, wie das Netz-Design von Spinnen Spannungen und Beschädigungen eingrenzt und das Netz als Ganzes bewahrt.

“Mehrere Forschungsgruppen haben die komplexe, hierarchische Struktur der Spinnenseide und ihre erstaunliche Stärke, Dehnungsfähigkeit und Belastbarkeit untersucht”, sagt Markus Buehler, außerordentlicher Professor für Ingenieurswesen und Umwelttechnik am MIT. “Aber obwohl wir das besondere Verhalten der Haltefaden-Seide aus dem Nanomaßstab heraus verstehen (anfangs fest, dann aufweichend, dann wieder abhärtend), haben wir wenig Einblicke darin, wie die molekulare Struktur von Seide in einzigartiger Weise die Eigenschaften eines Netzes verbessert.”

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Markus Buehler vom MIT erklärt, wie Spinnennetze starke Belastungen überstehen (Credit: National Science Foundation / Images Courtesy of: Zina Deretsky, Nature, Markus Buehler)

Die in Gärten und Garagen gefundenen Spinnennetze bestehen aus verschiedenen Seidentypen, aber zähflüssige Seide und die Seide der Haltefäden sind am entscheidendsten für den Zusammenhalt des Netzes. Zähflüssige Seide ist dehnbar, feucht und klebrig und sie ist die Seide, die sich in größer werdenden Spiralen aus dem Zentrum des Netzes nach außen windet. Seine Hauptaufgabe ist es, Beute einzufangen. Die Seide von Haltefäden ist hart und trocken und liefert strukturelle Unterstützung als die Fäden, die sich radial aus dem Zentrum des Netzes nach außen erstrecken. Die Seide von Haltefäden ist entscheidend für das mechanische Verhalten des Netzes.

Einige von Buehlers früheren Forschungsarbeiten zeigten, dass die Haltefäden-Seide aus einer Reihe Proteine mit einer einzigartigen Molekularstruktur besteht, die sowohl Stärke als auch Flexibilität verleiht. “Obwohl die Stärke und Belastbarkeit von Seide schon vorher angepriesen wurden – sie ist stärker als Stahl und auf das Gewicht bezogen belastbarer als Kevlar – blieben die Vorteile der Seide innerhalb eines Netzes über solche Messungen hinaus unbekannt”, ergänzte Buehler.

Die gewöhnlichen Spinnen, die in der aktuellen Studie untersucht wurden, umfassen Webspinnen (Nephila clavipes, Gartenspinnen (Araneus diadematus) und andere und bauen bekannte, spiralförmige Netzmuster auf einem Gerüst aus strahlenförmigen Filamenten. Der Bau jedes Netzes kostet die Spinne Energie, die sie nicht oft aufwenden kann, daher ist Belastbarkeit der Schlüssel zum Überleben der Spinne.

In einer Reihe von Computersimulationen, die auf Laborexperimente mit Spinnennetzen abgestimmt waren, waren die Forscher in der Lage aufzuschlüsseln, welche Faktoren welche Rolle beim Überstehen natürlicher Bedrohungen spielen, die entweder lokal auftreten, wie ein Zweig, der auf einen Faden fällt, oder verteilt sind, wie starke Winde.

“Für unsere Modelle verwendeten wir ein Gerüst der Molekulardynamik, in das wir das molekulare Verhalten von Seidenfäden in der makroskopischen Welt einbetteten. Das erlaubte uns, verschiedene Belastungszustände des Netzes zu untersuchen, aber noch wichtiger, es erlaubte uns auch zu verfolgen und sichtbar zu machen, wie das Netz unter extremen Belastungsbedingungen beschädigt wurde”, sagt Anna Tarakanova, die gemeinsam mit Stephen Cranford die Computermodelle entwickelte. Beide sind Studenten an Buehlers Labor.

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Animiertes Modell von der Deformation und dem Reißen eines Seidenfadens unter starker Belastung (Credit: S. Cranford and M.J. Buehler / MIT)

“Durch Computersimulationen des Netzes waren wir in der Lage, ‘synthetische’ Netze effizient zu erschaffen, konstruiert aus virtuellen Seiden, die gewöhnlichere Baumaterialien glichen. Darunter fallen etwa linear elastische Materialien wie viele Keramiken und elastisch-plastische Materialien, die sich wie viele Metalle verhalten. Mit den Modellen konnten wir Vergleiche zwischen den simulierten Belastbarkeit der Netze und der Belastbarkeit von Netzen aus natürlicher Seide anstellen. Zusätzlich konnten wir das Netz in Bezug auf Energie und Einzelheiten der lokalen Belastung analysieren, was Merkmale sind, welche die Experimente zu enthüllen in der Lage waren”, ergänzt Cranford.

Wie man vielleicht erwarten kann, zeigte die Studie, dass das gesamte Netz reagiert, wenn irgendein Teil von ihm gestört wird. Die Empfindlichkeit ist es, die eine Spinne über das Zappeln eines gefangenen Insekts informiert. Allerdings spielen die radialen und spiralförmigen Fäden jeweils unterschiedliche Rollen bei der Abmilderung von Bewegungen und wenn die Belastungen besonders stark sind, werden sie geopfert, so dass das gesamte Netz überleben kann.

“Das Konzept selektiver, lokaler Beschädigungen bei Spinnennetzen ist interessant, weil es eine einzigartige Abkehr von den strukturellen Prinzipien darstellt, die bei vielen biologischen Materialien und Komponenten im Spiel zu sein scheinen”, ergänzte Dennis Carter, NSF-Programmdirektor für Biomechanik und Mechanobiologie, der half, die Studie zu unterstützen.

“Zum Beispiel verteilen die dezentralen Materialbestandteile in Knochen Belastungen allgemein, wodurch die Festigkeit zunimmt. Es gibt kein ‘verschwendetes’ Material, was das Gewicht der Struktur minimiert. Obwohl der gesamte Knochen benutzt wird, um einer Kraft zu widerstehen, neigt er dazu, entlang der Krafteinwirkung früher zu brechen.”

Im Gegensatz dazu sei ein Spinnennetz konstruiert, um lokale Gebiete zu opfern, so dass die Belastung nicht das übrige Netz am Ausüben seiner Funktion hindern werde, wenn auch mit verminderter Kapazität, sagt Carter. “Das ist eine clevere Strategie, wenn die Alternative bedeutet, ein komplett neues Netz machen zu müssen”, fügte er hinzu. “Wie Buehler vorschlägt, können Ingenieure von der Natur lernen und die Designstrategien übernehmen, die für bestimmte Anwendungen am geeignetsten sind.”

Wenn ein radialer Faden in einem Netz beschädigt wird, deformiert sich das Netz mehr als bei der Beschädigung eines relativ nachgiebigen Spiralfadens. Wenn unter starken Belastungen jeder Typ reißt, dann ist der entsprechende Faden jedoch der Einzige.

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Vibrationen und Deformationen in einem Spinnennetz aufgrund mechanischer Belastungen (Credit: S. Cranford and M.J. Buehler / MIT)

Die einmalige Natur der Spinnenseide-Proteine unterstützt diesen Effekt. Wenn ein Faden gezogen wird, entfaltet sich die besondere Molekularstruktur der Seide – eine Kombination aus amorphen Proteinen und geordneten Nanokristallen – bei steigender Belastung, was zu einem Dehnungseffekt führt, der vier einzelne Phasen besitzt: eine Anfangsphase aus linearem Reißen; eine lange Dehnungsphase, in der sich die Proteine entfalten; eine Verhärtungsphase, die den größten Kraftanteil absorbiert; und eine letzte Haft-Gleit-Phase, bevor die Seide reißt.

Den Ergebnissen der Forscher zufolge tritt das Reißen von Seidenfäden an Punkten auf, wo die Fäden durch eine externe Kraft gestört werden, aber nach dem Reißen kehrt das Netz wieder zur Stabilität zurück – sogar in Simulationen mit breitflächig wirkenden Kräften wie Winden von Wirbelstürmen.

“Künstliche Strukturen sind normalerweise so konstruiert, um großen Belastungen mit begrenztem Schaden zu widerstehen, aber extreme Belastungen sind schwieriger einzubeziehen”, sagt Cranford. “Die Spinne hat dieses Problem in einmaliger Weise gelöst, indem sie einem ‘Opferfaden’ gestattet, unter starken Belastungen zu reißen. Eine der ersten Fragen, die ein Bauingenieur stellen muss ist ‘Wie ist die Belastung der Konstruktion?’ Bei einem Spinnennetz spielt es allerdings keine Rolle, ob die Belastung gerade groß genug ist, um Beschädigungen zu verursachen oder ob sie hundert Mal stärker ist – die Auswirkungen auf das Netz sind dieselben. Einem ‘Opferfaden’ gestatten zu reißen, entfernt die Unvorhersehbarkeit ‘extremer’ Belastungen aus den Konstruktionsformeln.”

Quelle: http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=123041&org=NSF&from=news

(THK)

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