Streitlustige Fangschreckenkrebse, die man aus ihren Löchern gefangen hat, sind seit langem ein beliebtes Motiv für Unterwasserfotografen – die meisten wissen jedoch, dass sie Gefahr laufen, dass die Kuppelöffnung reißt, wenn sie zu nahe kommen.
Diese großen Garnelen können mit einem kräftigen Schlag ihre Beute töten oder ihr Territorium gegen Rivalen verteidigen. Wissenschaftler der Northwestern University in Illinois sagen, dass dieser Schlag die Wucht einer Kugel vom Kaliber .22 hat und damit die Schale einer Weichtierschale oder Glasscheiben eines Aquariums zertrümmern kann.
Sie wollten herausfinden, wie die empfindlichen Nerven und Gewebe der Garnelen die intensiven Stoßwellen überleben, die während des Prozesses entstehen – und sie gehen davon aus, nun die Antwort zu haben.
Der Schlag wird über die beiden hammerartigen „Daktyluskeulen“ der Garnele ausgeführt. Diese sind, wie sich herausstellt, mit geschichteten Mustern bedeckt, die durch die Blockierung bestimmter Vibrationen einen Schutzschild bilden.
Das Team ist davon überzeugt, dass die hier angewandten Prinzipien bei der Entwicklung synthetischer Schallfiltermaterialien oder beim Schutz vor explosionsbedingten Verletzungen Anwendung finden könnten.
Druckwellen und Blasen
„Die meisten früheren Arbeiten konzentrierten sich auf die Robustheit und Rissfestigkeit der [Daktylus-]Keule und behandelten die Struktur als einen verstärkten Aufprallschutz“, sagt Prof. Horacio D. Espinosa, ein Experte für bioinspirierte Materialien an der Northwestern University und Co-Autor des Studie gerade veröffentlicht in Forschung.
„Wir haben herausgefunden, dass es ‚phononische Mechanismen‘ verwendet – Strukturen, die Spannungswellen selektiv filtern. Dadurch kann die Garnele ihre Schlagkraft auch bei mehreren Stößen bewahren und Weichteilverletzungen vorbeugen.“
Die Daktyluskeulen speichern ihre Energie in federähnlichen Strukturen, die durch riegelartige Sehnen festgehalten werden. Wird der Riegel gelöst, treibt die gespeicherte Energie die Keule mit explosiver Kraft nach vorne.
„Wenn die Fangschrecke zuschlägt, erzeugt der Aufprall Druckwellen auf ihr Ziel“, sagt Espinosa. „Außerdem entstehen Blasen, die schnell platzen und Stoßwellen im Megahertz-Bereich erzeugen.“
„Der Zusammenbruch dieser Blasen setzt intensive Energiestöße frei, die Federwegs durch die Keule der Garnele. Dieser sekundäre Stoßwelleneffekt macht zusammen mit der anfänglichen Aufprallkraft den Schlag der Fangschreckenkrebse noch verheerender.“
Das Team analysierte die Mikrostruktur der Fangschreckenkrebse (Odontodactylus scyllarus) und identifizierte zwei unterschiedliche Regionen innerhalb des Clubs.
Der Aufprallbereich, der die Schläge ausführt, besteht aus mineralisierten Fasern, die in einem verstärkenden Fischgrätenmuster angeordnet sind. Darunter besteht der periodische Bereich aus verdrehten, korkenzieherartigen Faserbündeln, in denen jede Schicht im Verhältnis zu ihren Nachbarn zunehmend gedreht ist.
Entscheidende Rolle
„Der periodische Bereich spielt eine entscheidende Rolle beim selektiven Herausfiltern hochfrequenter Scherwellen, die für biologisches Gewebe besonders schädlich sind“, sagt Espinosa. „Dies schützt die Garnelen wirksam vor schädlichen Stresswellen, die durch den direkten Aufprall und das Platzen der Blase verursacht werden.“
Die Forscher analysierten 2D-Simulationen des Wellenverhaltens, doch künftige Forschungen werden sich wahrscheinlich auf „komplexere 3D-Simulationen konzentrieren, um vollständig zu erfassen, wie die Struktur des Clubs mit Stoßwellen interagiert“, sagt Espinosa.
„Darüber hinaus könnten wir durch die Gestaltung von Wasserexperimenten mit hochmodernen Instrumenten untersuchen, wie phononische Eigenschaften unter Wasser funktionieren.“ Die von Nicolas Alderete von der Northwestern University geleitete Studie wurde vom Air Force Office of Scientific Research, dem Office of Naval Research und der National Science Foundation unterstützt.
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