Mechanismen zur Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen im Tierreich am Beispiel von Pistolenkrebsen und Speikobras

Abstract

Verschiedene Tierarten sind in der Lage mit hoher Präzision und Geschwindigkeit kurze, pulsartige Flüssigkeitsstrahlen zu erzeugen. Die Tiere nutzen zur Strahlerzeugung unterschiedliche Organe, Mechanismen und Flüssigkeiten. In zwei Tiergruppen, den Pistolenkrebsen (Alpheidae) und den Speikobras (Elapidae, Gattung <em>Naja</em>), wurde die funktionelle Morphologie der strahlerzeugenden Organe untersucht. Zu dem wurden die Flüssigkeitseigenschaften der Strahlflüssigkeit der Speikobras untersucht. Die Untersuchungen sind Teil eines interdisziplinären Projektes von Biologen und Ingenieuren. Ziel des Projektes ist die Aufdeckung von Strukturen und Anpassungen, die eine gepulste Strahlerzeugung optimieren. Durch Übertragung solcher Anpassungen und Prinzipien von den natürlichen Vorbildern auf technische Anwendungen wie Wasserstrahlschneiden könnten diese Anwendungen optimiert werden.<br /> Pistolenkrebse können mit einer morphologisch umgewandelten Schere (Knallschere) einen kurzen und sehr schnellen Wasserstrahl abschießen, wobei ein knallendes Geräusch entsteht. Auf dem Propodus der Schere befindet sich eine Grube und auf dem Dactylus ein sockelartiger Vorsprung, der beim Schließen der Schere in die Grube eindringt. In diesem Funktionsgefüge wird der Wasserstrahl erzeugt. Die dreidimensionale Struktur dieses Systems wurde mittels computertomografischen und elektronenmikroskopischen Aufnahmen rekonstruiert und der Beschleunigungsmechanismus der Scheren untersucht. Die Pistolenkrebse besitzen Haftstrukturen, die die Scherenfinger im geöffneten Zustand arretieren und bei der Muskelkontraktion einen Spannungsaufbau erzeugen, der vermutlich in einer höheren Bewegungsgeschwindigkeit des Scherengliedes resultiert. Über Kraftmessungen wurde die Haftkraft der Haftscheiben ermittelt und deren Abhängigkeit vom umgebenden Medium bestimmt. Weiterhin wurden die Morphologie, die Ultrastruktur sowie Materialzusammensetzung und Eigenschaften der Haftscheiben ermittelt. Die Oberfläche der Haftscheiben war im Gegensatz zur umgebenden Kutikula nicht mineralisch gehärtet. Die Haftscheibe auf dem Propodus besteht aus einer orthogonalen Faserung mit einem darunterliegenden mineralisch gehärteten Ring. Die Haftscheibe auf dem Dactylus besteht aus einer dünnen amorphen Schicht, die auf die Kutikula aufgelagert ist. Die Haftkraft veränderte sich mit der Ablösegeschwindigkeit. In nicht-wässrigen Medien erlag die Haftwirkung reversibel. Es konnte gezeigt werden, dass wet-adhesion und dessen Komponenten wie Stefan Adhäsion für die Haftwirkung entscheidend sind. Die Morphologie und Ultrastruktur der Haftscheiben läßt vermuten, daß zusätzlich auch ein Unterdruck-Effekt die Haftwirkung erhöht.<br /> Speikobras können Giftflüssigkeit durch ihre Giftzähne auf einen Angreifer spritzen. Der Giftstrahl ist extrem schnell und zielt meist auf das Gesicht eines Angreifers. Der Giftkanal des Giftzahnes von Speikobras besitzt gratartige Strukturen, die die Strahlbildung beeinflussen können. Mittels Rasterelektronenmikroskopie und Computertomografie wurde die Struktur des Giftkanals untersucht und dreidimensional rekonstruiert. Über tensiometrische und viskosimetrische Methoden wurden die physiko-chemischen Eigenschaften der Strahlflüssigkeit der Speikobras mit der von nicht-speienden Kobraarten verglichen. Die Viskosität der Giftflüssigkeit aller Kobraarten zeigte scherverdünnendes Verhalten. Die Viskosität der Giftflüssigkeit der Speikobras war signifikant geringer als die der nicht-speienden Arten. In einer nachfolgenden Studie wurden die in dieser Arbeit erhobenen morphologischen und physiko-chemischen Daten für vergrößerte Modelle eines Giftzahnes verwendet, in denen durch particle image velocimetry das Fluidverhalten im Giftkanal untersucht wurde. Es konnte gezeigt werden, daß die gratartigen Strukturen innerhalb des Giftkanals sowie die scherverdünnende Eigenschaft der Giftflüssigkeit das Fließverhalten der Strahlflüssigkeit im Giftkanal und die Kompaktheit des Giftstrahles optimieren.