Der Venusblütenkorb (Euplectella aspergillum) ist ein Meerestier, das in der Nähe der Philippinen am Meeresboden verankert lebt. Diese röhrenförmigen Meeresschwämme, die eher wie filigrane Skulpturen als wie Tiere aussehen, sind in der Regel 10-30 cm groß und filtern winzige Nahrungspartikel aus dem Meerwasser, während es durch ihren Körper fließt. Ihr zylindrisches Skelett, das auch als Glasschwamm bezeichnet wird, besteht aus Kieselsäure, dem Hauptbestandteil von Glas. Während Glas normalerweise ein sprödes und zerbrechliches Material ist, ist das Skelett des Venusblumenkorbs aufgrund seiner Zusammensetzung und seines Aufbaus zäh und stabil. Es gibt mindestens sechs Organisationsebenen im Skelett, die von Nanometern bis zu Zentimetern reichen.
Das Glasskelett des Schwamms besteht aus Spicules, röhrenförmigen Strukturen aus konzentrischen Schichten amorpher hydratisierter Kieselsäure, die durch dünne organische Schichten voneinander getrennt sind, wie ein Pariser Gebäck mit einem Hauch süßer Creme zwischen den flockigen Krusten. Aber diese dünnen organischen Schichten tragen wesentlich dazu bei, dass die Spicula eine beträchtliche Zähigkeit aufweisen. Selbst die beiden symbiotischen Garnelen, die ihr Leben im geflochtenen Glaskorb der Venus verbringen, können nicht ausbrechen. Im Gegensatz zur Biomineralisierung bei anderen Organismen wie der Abalone scheint der Mineralanteil kein regelmäßiges kristallines Muster zu haben. Experimente deuten darauf hin, dass die Siliziumdioxidschichten aus kolloidalen Siliziumdioxidkugeln mit einem Durchmesser von etwa 50 bis 200 nm bestehen, die wiederum aus kleineren Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 2,8 Nanometern zusammengesetzt sind. Zum Vergleich: Die kleinsten Sandkörner an einem Strand (ebenfalls in der Regel Siliziumdioxid) haben einen Durchmesser von etwa 60 nm.
Jedes Kügelchen besteht aus abwechselnden Schichten aus anorganischem Siliziumdioxid und organischen Verbindungen, die alle ein zentrales Proteinfilament umgeben. Die anorganischen Schichten bestehen aus hydratisierten Kieselsäure-Nanopartikeln und sind relativ steif. Die organischen Schichten hingegen scheinen schwächer zu sein und Energie absorbieren zu können. Dieser schichtweise Aufbau aus abwechselnd steifen und schwachen Schichten kann verhindern, dass sich Risse an der Oberfläche einer Spicula tief in den Kern ausbreiten.
Auf einer höheren Organisationsebene sind die Spicula in einem quadratischen, zu einer Röhre aufgerollten Gitter angeordnet. Dies ist die Hauptform des Glasschwamms. Zwei getrennte, aber sich überlappende Gitter bilden das Grundgerüst, und da sich diese Gitter noch relativ zueinander bewegen können, kann das Skelett während des Wachstums flexibel sein. Die Quadrate des Gitters werden durch Verstrebungen verstärkt, die vertikal, horizontal und diagonal verlaufen. Diese Verstrebungen bestehen aus Bündeln von Stacheln und stützen das Gitter zusätzlich gegen Biege-, Gleit- und Verdrehungskräfte. Auf der Oberfläche der röhrenförmigen Struktur bilden sich spiralförmige Grate aus Spicula, die sich in entgegengesetzte Richtungen winden.
Eine Kappe am oberen Ende des Zylinders verhindert, dass er zusammenbricht, während ein flexibles Bündel von Ankerstacheln das gesamte Skelett am Meeresboden festhält und in der Lage ist, Kräften von der Seite zu widerstehen. Schließlich zementiert eine Siliziumdioxid-Matrix, in die kleine Stacheln eingebettet sind, die gesamte Struktur zusammen und erhöht die Festigkeit weiter.
Jede hierarchische Organisationsebene im Skelett des Venusblütenkorbs trägt zu seiner mechanischen Gesamtleistung bei. Das Ergebnis ist eine komplexe Struktur, die widerstandsfähig und stabil ist, obwohl ihr Hauptbestandteil ein von Natur aus zerbrechliches Material ist.
Um mehr über hierarchische Strukturen in verschiedenen lebenden Systemen zu erfahren, lesen Sie die Fallstudie „Little Things Multiply Up: Hierarchical Structures“ in Zygote Quarterly 9:
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