Wunderschöne Kieselalgen: Muster für stabile Konstruktionen

Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) veröffentlichen in der Zeitschrift „Nature“ am 20. Februar 2003 neue Erkenntnisse über Struktur und Materialeigenschaften von Kieselalgen (Diatomeen). Diese einzelligen Meeresalgen sind für den größten Teil der Produktion von Sauerstoff und pflanzlicher Biomasse im Meer verantwortlich. Seit ihrer Entdeckung vor rund 170 Jahren werden sie wegen ihrer Schönheit und Vielfalt bewundert. Erstmals wurde nun nachgewiesen, dass ihre fantastischen Formen einen ökologischen Sinn haben.

Die Schalen der Diatomeen halten Kräften von bis zu mehreren hundert Mikronewton (entsprechend mehrere hundert Tonnen pro Quadratmeter) stand und schützen die Algen damit gegen ein breites Spektrum an Organismen (Zooplankton), die ihrerseits versuchen, sie aufzubrechen. Trotz dieser hohen mechanischen Belastbarkeit sind sie äußerst leicht gebaut und gehen damit auch ökonomisch mit dem im Wasser nur begrenzt vorhandenen Baustoff Silizium um. Die Leichtbauweise ist erforderlich, weil das Baumaterial relativ schwer ist und zusätzlichen Ballast für die im Wasser schwebenden Algen (Phytoplankton) bedeutet.

Material und Struktur

Die Ergebnisse entstanden am AWI in enger Zusammenarbeit mit Biophysikern von der TU München und dem Forschungszentrum Jülich sowie Schiffbauingenieuren von der Hochschule Bremen. Die Wissenschaftler unterzogen einzelne Kieselalgen mikromechanischen Belastungstests. Die Beanspruchung durch unterschiedliche Beißwerkzeuge wurde darüber hinaus mit Hilfe moderner Berechnungsmethoden (Finite-Elemente-Modelle) am Computer simuliert. Es zeigte sich, dass die Festigkeit der Schalen durch ein Zusammenspiel von hochkomplexen, fließenden Formen mit den besonderen Materialeigenschaften des glasartigen Baustoffes entsteht. Die Kombination von Silizium und Kohlenstoff im Schalenmaterial ermöglichte es den Kieselalgen, im Laufe der Evolution so zahlreiche verschiedene Formen zu entwickeln. Dabei entstanden Strukturen, die denen von technischen Konstruktionen oder Bauwerken auffallend ähnlich sind.

Bedeutung für die Forschung

„Diese Untersuchungen an Diatomeenschalen sind ein Ausgangspunkt für eine Reihe fundamental neuer Erkenntnisse über die Evolution mariner Lebensgemeinschaften“, sagt Dr. Christian Hamm aus dem AWI.

Der Reichtum an Schalenarchitekturen kann auf die Anpassung an mechanische Belastungen durch unterschiedlich geformte Beißwerkzeuge zurückgeführt werden. Hiermit wehren sich die Algen offenbar gegen den Fraßdruck durch das Zooplankton.

Diese Entwicklung hat auch Auswirkungen auf den Stoffhaushalt im Meer, insbesondere die Aufnahme und Ablagerung von Kohlenstoff und Silizium im Sediment. Die Schalen besonders widerstandsfähiger Arten überdauern im Sediment und können zur Rekonstruktion früherer Umweltbedingungen herangezogen werden. Diese Befunde dienen nicht nur der Klimaforschung, sondern geben auch Hinweise auf biologische Zusammenhänge und kommen der marinen Ökologie zu Gute.

„Das AWI baut damit seine international führende Stellung bei der Erforschung der Kieselalgen und ihrer Rolle im globalen Kohlenstoffhaushalt weiter aus“, erläutert Prof. Dr. Victor Smetacek, Leiter der Planktonforschung am AWI.

Vorbild für die Technik

Übertragen auf technische Problemstellungen, in denen Stabilität und Leichtigkeit besonders wichtig sind, könnte eine den Diatomeenschalen nachempfundene Architektur für einen besonders ökonomischen Einsatz von Baumaterial und Treibstoff sorgen. Dies ist beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt und im Transportwesen von Interesse. In Zusammenhang mit ihrer Schönheit bieten die mechanisch stabilen Strukturen aber auch interessante Anwendungsmöglichkeiten für die Verbindung von Design und Funktionalität.