Aufbau und Materialeigenschaften kutikulärer Gelenkstrukturen und Infrarotrezeptoren bei Insekten und ihre funktionale Bedeutung

Abstract

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.<br /> 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.<br /> 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.<br /> 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.<br /> 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.

<strong>Structure and material properties of cuticular articulations and infrared receptors and their functional relevance</strong><br /> This study focuses on the structure and the mechanical and thermal material characteristics of specialized insect cuticle. Special interest is given to the infrared organs of the pyrophilous beetles Melanophila acuminata, Merimna atrata and Acanthocnemus nigricans. In spite of having the same sensory function, their structure and working principle differ from each other. Additionally, the gula of Pachnoda marginata were investigated. Hitherto, the material characteristics of insect cuticle were mostly probed on the outer surface. Since the three dimensional composition is of special importance in the examined structures, they were specifically opened. In this way, the material characteristics of microstructured consecutive cuticle layers were measured for the first time. In doing so, dehydration and embedding of the samples was required. The characteristics of the native, hydrated cuticle were estimated relying on data of published literature.<br /> The infrared organs of Merimna atrata and Acanthocnemus nigricans, which are both infrared detectors of the bolometer type, do not show any mechanical adaptation. Moreover, the thermal properties of the infrared organ cuticle equal those of the unstructured reference cuticle. A gradient of thermal conductivity reduces the thermal loss to the outside. Thereby the outer exocuticle has the lowest conductivity which is caused by the small content of water. This thermal isolation has most probably a positive impact upon the sensitivity of the infrared detector. Furthermore, the measurements by means of the Scanning Thermal Microscope could show that the electron dense rods in the infrared organs of Acanthocnemus nigricans do not show an increased thermal conductivity compared to the ambient cuticle. Therefore, they are not a thermal conducting structure as has been assumed up to now.<br /> The infrared sensilla of Melanophila acuminata are also thermally isolated by their exocuticular shell. Furthermore, the shell is significantly harder and stiffer than the spongy mesocuticular core. In the native state, the difference could be one order of magnitude. Since thermal expansion is correlated with the mechanical characteristics, the hard and stiff shell does not expand when heated by absorbing infrared radiation. Thus, the shell functions as a pressure vessel which keeps the inner volume constant. In contrast, the inner mesocuticle and the fluid expand thermally and thereby generate pressure inside the sensillum which is transmitted by the incompressible fluid to the mechanosensor. This is an adequate stimulus for the mechanoreceptor. The measured material properties helped to elucidate the working principle of the photomechanic infrared sensillum.<br /> To compare the infrared sensilla of Melanophila with another mechanically adapted system, structure, hardness and elasticity of the gula of Pachnoda marginata were examined. Contrary to former descriptions, it could be shown that there are soft layers of meso- and endocuticle beneath the thin outer epicuticle, followed toward the inside by a layer of exocuticle. The standard sequence of cuticle is therefore interrupted. The mechanical adaptations of the gula system could already be observed in the composition of the cuticle layers und were confirmed by probing via nanoindentation.<br /> This work is completed by recommendations for future work, where the possibility to detect the native characteristics of hydrated cuticle by means of development and application of new techniques is described.