Guter Halt auf rutschigem Untergrund

Es ist ein altbekanntes Problem: Wenn sich auf Steinen und Geröll in Flüssen Algen gebildet haben, werden sie extrem rutschig. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun herausgefunden, dass dieser Effekt umgekehrt für sehr kleine Tiere gilt.

Der Biofilm, wie der schleimige Film aus Algen, Bakterien und anderem organischen Material auf dem Substrat genannt wird, bietet kleinen Tieren wie Insekten und deren Larven zusätzlichen Halt. Besonders in Fließgewässern wie Bächen und Flüssen ist dies für die Besiedlung glatter strömungsexponierter Habitate durch die Tiere entscheidend.

Die Forschungsergebnisse wurden am Mittwoch, 18. Dezember, im renommierten Wissenschaftsmagazin „Journal of the Royal Society Interface“ veröffentlicht.

In einer Versuchsreihe mit den Larven der Eintagsfliege Epeorus assimils konnte das Forscherteam, bestehend aus dem Biophysiker Alexander Kovalev, den Biologen Stanislav Gorb, Jan Michels, Jochen Koop und Petra Ditsche, dass die Insekten vom Biofilm nicht nur als Futterquelle abhängig sind. Denn wo Menschen und Fahrzeuge extreme Schwierigkeiten mit der Haftung bekommen, kommen die Haftungsmechanismen der Insekten zum Einsatz.
Auf teils sehr glatten Oberflächen von Steinen finden die mit Krallen bewehrten Larven schwerlich Halt, die weiche Schleimschicht des Biofilms ist von ihnen jedoch einfach durchdringbar, so dass die Krallen sich an innerhalb des Biofilms befindlichen, festverwachsenen Organismen verklammern können. Durch die hohe Viskosität des Biofilms wird der Widerstand der Insekten gegen die Strömung weiter gestärkt. „Etwa so, als wenn man seine Füße in Honig hätte“, beschreibt Dr. Petra Ditsche von der Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik an der CAU das Phänomen.

Die Methode:
Im Labor wurden künstliche Substrate mit verschiedenen Rauheitsgraden hergestellt, die von sehr glatt bis extrem rau reichten. Einen Teil dieser Substrate haben die Forschenden in einer Fließrinne mit Biofilm bewachsen lassen. In den folgenden Versuchen wurden die bewachsenen Substrate mit den jeweils gleichen Substrattypen ohne Biofilmbewuchs verglichen. Zur Bestimmung der Oberflächenstruktur wurden mittels Konfokaler Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) die Oberflächen vermessen sowie Rauheitsparameter berechnet.

Indentationsmessungen wurden zur Bestimmung der biophysikalischen Eigenschaften des Biofilms wie Elastizität und Härte vorgenommen.

Die Haltefähigkeiten der lebenden Larven wurden dann in einer künstlichen Fließrinne bei steigenden Geschwindigkeiten untersucht. Dabei wurde die Maximalgeschwindigkeit ermittelt, bis zu der die Larven auf dem spezifischen Substrat verbleiben konnten. Zusätzlich wurden Versuche zur Bestimmung der Haltekräfte der Krallen (Reibung und Verklammerung) durchgeführt. Dazu haben die Forschenden Krallenpräparate an einem speziellen Kraftsensor befestigt und die Krallen in natürlicher Position mit Hilfe eines Mikromanipulators parallel zum jeweiligen Substrat gezogen.

Die Ergebnisse:
Die Untersuchungen zeigen, dass es generell wichtig ist, den Biofilm bei der Haftung in aquatischen Systemen zu berücksichtigen, da er die Substrateigenschaften wesentlich verändert. Im Fall der untersuchten Eintagsfliegenlarven waren die Haftkräfte auf den mit Biofilm überzogenen Substraten auf den meisten Substraten erhöht. Dies war auf allen glatten Substraten sowie auf den Substraten geringer Rauheit der Fall, auf welchen die Krallen schwerlich genug Unregelmäßigkeiten zur Verklammerung finden. Der Biofilm sollte daher generell als Faktor bei der Haftung/Befestigung am Untergrund berücksichtigt werden. Dies gilt nicht nur für sessile Organismen, sondern auch für mobile, also freibewegliche Tiere.

Anwendung finden die Forschungsergebnisse möglicherweise in der Antifouling-Forschung, die den Bewuchs an Schiffsrümpfen und anderen technischen Oberflächen verhindern soll, oder bei der Entwicklung von Unterwasserhaftsystemen für technische Geräte wie Strömungsmesser.

Weiterführende Links:
Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik am Zoologischen Institut
www.uni-kiel.de/zoologie/gorb/

Journal of the Royal Society Interface:
http://rsif.royalsocietypublishing.org/content/11/92/20130989.abstract?sid=a6abf5c6-cac7-4b8a-a885-248162daec60

Zwei Fotos stehen zum Download bereit:
1. www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-391-1.jpg
BU: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Klaue eines E. assimilis Vorderbeins. Foto/Copyright: Petra Ditsche

2. www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-391-2.jpg
BU: Unterwasseraufnahme einer E. Assimilis Larve. Foto/Copyright: Petra Ditsche

Kontakt:
Dr. Petra Ditsche
Friday Harbor Laboratories
University of Washington
620 University Road
Friday Harbor, WA, 98250
USA
phone: +1-360-298-2284 (9 Stunden Zeitverschiebung)
E-Mail: pditsche@UW.edu, pditschekuru@zoologie.uni-kiel.de

Prof. Dr. Stanislav Gorb
Funktionelle Morphologie und Biomechanik
Zoologisches Institut
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Am Botanischen Garten 1-9
24118 Kiel
Tel.: 0431/880 4859
E-Mail: sgorb@zoologie.uni-kiel.de

Originalarbeit:
Ditsche P, Michels J, Kovalev A, Koop J, Gorb S. 2014 More than just slippery: the impact of biofilm on the attachment of non-sessile freshwater mayfly larvae. J. R. Soc. Interface 20130989.