Müller, Martin: Aufbau und Materialeigenschaften kutikulärer Gelenkstrukturen und Infrarotrezeptoren bei Insekten und ihre funktionale Bedeutung. - Bonn, 2009. - Dissertation, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn.
Online-Ausgabe in bonndoc: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5N-16818
@phdthesis{handle:20.500.11811/4039,
urn: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5N-16818,
author = {{Martin Müller}},
title = {Aufbau und Materialeigenschaften kutikulärer Gelenkstrukturen und Infrarotrezeptoren bei Insekten und ihre funktionale Bedeutung},
school = {Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn},
year = 2009,
month = mar,

note = {Im Rahmen dieser Arbeit wurden Aufbau sowie mechanische und thermische Materialeigenschaften hoch spezialisierter Insektenkutikula untersucht. Besonderes Interesse galt den Infrarotorganen der drei pyrophilen Käfer Melanophila acuminata, Merimna atrata und Acanthocnemus nigricans, die trotz ähnlicher sensorischer Funktion sehr unterschiedlich aufgebaut sind. Zusätzlich wurden die mechanischen Eigenschaften der Gula von Pachnoda marginata gemessen. Bisher wurden die Materialeigenschaften der Kutikula zumeist an der äußeren Oberfläche bestimmt. Bei den untersuchten Strukturen ist die dreidimensionale Abstimmung jedoch von entscheidender Bedeutung. Daher wurden sie gezielt geöffnet. Erstmals wurden so die Materialeigenschaften an mikrostrukturierten, konsekutiven Kutikulaschichten gemessen. Da dabei das Dehydrieren und Einbetten der Proben unumgänglich war, wurde der Versuch unternommen, anhand der Daten bereits veröffentlichter Literatur die nativen Eigenschaften hydrierter Kutikula abzuleiten.
Die beiden Infrarotorgane von Merimna atrata und Acanthocnemus nigricans, die beide nach dem Bolometerprinzip arbeiten, zeigten neben den strukturellen keine mechanischen Anpassungen. Auch die thermischen Eigenschaften entsprechen denen unstrukturierter Referenzkutikula. Ein Gradient der Wärmeleitfähigkeit vermindert die Wärmeabfuhr nach außen, wobei die Exokutikula bedingt durch den geringen Wassergehalt die geringste Wärmeleitfähigkeit besitzt. Diese thermische Isolation hat vermutlich eine positive Auswirkung auf die Sensitivität des Infrarotorgans. Mittels Scanning Thermal Microscopy konnte zusätzlich gezeigt werden, dass die elektronendichten Strukturen („rods“) im Infrarotorgan von Acanthocnemus nigricans im Vergleich zur Kutikula keine erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Es handelt sich also nicht um eine wärmeleitende Struktur.
Bei Melanophila acuminata ist das kugelförmige Sensillum ebenfalls durch eine exokutikuläre Schale nach außen hin thermisch isoliert. Der Mantel des Sensillums ist im Vergleich zum schwammartigen Kern wesentlich härter und unelastischer. Im nativen Zustand könnte dieser Unterschied sogar ca. eine Großenordnung betragen. Da die thermische Ausdehnung mit den mechanischen Eigenschaften verknüpft ist, dehnt sich die harte, unelastische Exokutikula bei Erwärmung, wie sie z.B. durch Absorption von Infrarotstrahlung entsteht, kaum aus. Der exokutikuläre Mantel des Sensillums bildet also eine Art Druckgefäß, das das Volumen im Inneren konstant hält. Die Mesokutikula und das Fluid im Inneren des Sensillums hingegen dehnen sich besonders stark aus. Das Fluid überträgt diese thermische Expansion auf den Mechanorezeptor, so dass dieser adäquat gereizt wird. Die gemessenen Materialeigenschaften konnten das photomechanische Funktionsprinzip detailliert erklären.
Um das photomechanische Infrarotsensillum von Melanophila acuminata mit einem weiteren mechanisch angepassten System vergleichen zu können, wurden Kutikulaschichtung, Härte und Elastizitätsmodul der Gula von Pachnoda marginata untersucht. Dabei zeigte sich, dass sich, anders als bisher vermutet, unter der dünnen Epikutikula weiche und elastische Schichten aus Meso- und Endokutikula befinden und die Standardabfolge von Exo-, Meso- und Endokutikula somit durchbrochen wird. Die Anpassung des Systems an seine mechanische Belastung ist bereits an der Zusammensetzung der Kutikula sichtbar und bestätigte sich durch Messungen der mechanischen Eigenschaften mittels Nanoindentation.
Im abschließenden Teil der vorgelegten Arbeit wird ein Ausblick gegeben, wie es basierend auf der vorgelegten Arbeit in Zukunft möglich sein könnte, durch die Entwicklung und den Einsatz neuer Technologien die Materialeigenschaften im nativen Zustand messen.},

url = {https://hdl.handle.net/20.500.11811/4039}
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