Die wunderbaren Konstruktionsmerkmale der Lebewesen nachahmen

Kleine Kinder fallen beim Laufen hin oder stoßen sich den Kopf. Größere Kinder fallen vom Baum oder stürzen mit dem Fahrrad. Sportler prallen auf dem Spielfeld aufeinander. Autofahrer erleiden zahllose Verkehrsunfälle. Doch trotz all dieser Stürze, Stöße und Zusammenstöße kommen wir oft ohne ernste Verletzungen davon. Wir nehmen die Belastbarkeit und die Widerstandsfähigkeit unseres Körpers leicht für selbstverständlich. Wie Wissenschaftler zu entdecken beginnen, sind wir indes von Kopf bis Fuß genial konstruiert.

DIE Kombination von Stabilität und Widerstandsfähigkeit bei relativ geringem Gewicht ist überall in der Natur anzutreffen. Junge Bäume zwängen sich durch Risse in Beton und Stein und vergrößern diese beachtlich, während sie zu ihrer vollen Größe heranwachsen. Die Bäume wiederum trotzen Stürmen, die so heftig sind, daß Leitungsmasten umknicken und Häuser zerfetzt werden. Spechte hämmern ins Holz und muten ihrem Kopf Erschütterungen zu, die ein Gehirn normalerweise in Brei verwandeln würden. Der Panzer von Krokodilen und Alligatoren läßt Speere, Pfeile und sogar Gewehrkugeln abprallen. (Vergleiche Hiob 41:1, 26.) So etwas versetzt die Menschen seit Tausenden von Jahren in Ehrfurcht und Staunen.

In den letzten 40 Jahren haben größere technische Fortschritte den Wissenschaftlern zusätzliche Mittel geliefert, mit denen sie den Geheimnissen des Aufbaus der Stoffe auf die Spur kommen können, Geheimnisse, die sich meistens tief im Innern der Zelle verbergen. Die Konstruktionsmerkmale im Mikrobereich sind wahrhaft atemberaubend und unglaublich komplex. Wissenschaftler wollen aber der Natur nicht nur die Geheimnisse entlocken, die den erstaunlichen Werkstoffeigenschaften zugrunde liegen, sondern sie wollen sie zumindest vom Prinzip her nachahmen. Das Forschungsgebiet ist so vielversprechend, daß eine neue Wissenschaftsdisziplin entstanden ist: die Biomimetik. Der Ausdruck stammt von den griechischen Wörtern bíos (Leben) und mímēsis (Nachahmung).

Die Biomimetik verheißt eine bessere Welt

„Die Biomimetik ist die Erforschung der biologischen Strukturen und ihrer Funktionen“, erklärt das Buch Biomimetics: Design and Processing of Materials. Ferner heißt es, die Erforschung habe zum Ziel, zu neuen Ideen anzuregen und diese in künstliche Systeme umzusetzen, die den bei Lebewesen vorkommenden ähneln.

Der Wissenschaftler Stephen Wainwright erklärt, daß die „Molekularbiologie in der Biomimetik aufgehen und durch diesen höchst interessanten und wichtigsten Wissenschaftszweig der Biologie im 21. Jahrhundert ersetzt werden wird“. Professor Mehmet Sarikaya behauptet: „Wir stehen an der Schwelle einer Werkstoffrevolution, die sich mit der Eisenzeit und mit dem Industriezeitalter messen kann. Wir machen einen Sprung in ein neues Werkstoffzeitalter. Ich denke, die Biomimetik wird unsere Lebensweise im nächsten Jahrhundert entscheidend verändern.“

Wie wir sehen werden, ist diese Veränderung unserer Welt bereits im Gange. Werfen wir jedoch zunächst einen kurzen Blick auf die noch ungelüfteten Geheimnisse, welche die Wissenschaftler zur Zeit eifrig erforschen. Wir wollen auch die ernüchternden Schlußfolgerungen untersuchen, die aus dem Wort „Konstruktion“ zu ziehen sind, und sehen, wie sie der erstaunlichen Welt, in der wir leben, Sinn verleihen.

Von den Konstruktionen in der Natur lernen

„Viele der besten Erfindungen hat man bei anderen Lebewesen abgeschaut oder werden schon von ihnen verwendet“ (Phil Gates, Wild Technology).

WIE bereits im vorigen Artikel erwähnt wurde, ist die Biomimetik bestrebt, durch Nachahmen der Natur komplexere Werkstoffe und Maschinen herzustellen. In der Natur werden Produkte ohne Verschmutzung erzeugt, sie sind meist elastisch und leicht, gleichzeitig aber unglaublich stabil.

Knochen sind zum Beispiel in jeder Hinsicht stabiler als Stahl. Was ist das Geheimnis? Die Antwort liegt zum Teil in der gut konstruierten Form, aber die vornehmlichen Gründe liegen tiefer, auf molekularer Ebene. „Der Erfolg lebender Organismen ist in ihrem Aufbau und in der Art der Zusammensetzung ihrer kleinsten Bestandteile begründet“, erklärt Gates. Durch die Untersuchung dieser kleinsten Bestandteile haben Wissenschaftler die Stoffe ausfindig gemacht, die den Naturprodukten von Knochen bis hin zur Seide ihre beneidenswerte Stabilität und ihr geringes Gewicht verleihen. Die Stoffe, die sie entdeckt haben, sind verschiedene Arten von Verbundstoffen.

Das Geheimnis der Verbundstoffe

Verbundstoffe sind feste Stoffe, die entstehen, wenn zwei oder mehr Substanzen zusammengefügt werden, damit sie eine neue Substanz bilden, deren Eigenschaften die der Ausgangsstoffe übertreffen. Das kann an Hand des Verbundwerkstoffs Fiberglas veranschaulicht werden, der allgemein zur Herstellung von Schiffsrümpfen, Angelruten, Bogen, Pfeilen und anderen Sportartikeln verwendet wird.a Fiberglas wird hergestellt, indem man dünne Glasfasern in eine flüssige oder gelartige Kunststoffmatrix einbettet (in ein Polymer). Nach dem Aushärten des Polymers entsteht ein leichter Verbundwerkstoff, der stabil und biegsam ist. Durch Veränderung der Fasern und der Matrix kann eine beachtliche Vielzahl verschiedener Werkstoffe hergestellt werden. Natürlich sind diese künstlichen Verbundstoffe, verglichen mit denen beim Menschen sowie bei Tieren und Pflanzen, noch sehr unausgereift.

Bei Menschen und Tieren bildet an Stelle der Glasfasern ein fasriges Protein, das Kollagen, die Grundlage der Verbundstoffe, die der Haut, dem Darm, dem Knorpelgewebe, den Sehnen, den Knochen und den Zähnen (außer dem Zahnschmelz) die Festigkeit verleihen.b Gemäß einem Nachschlagewerk gehören die Verbundstoffe auf Kollagenbasis „zu den fortschrittlichsten Verbundwerkstoffen, die bekannt sind“.

Betrachten wir beispielsweise die Sehnen, welche die Muskeln mit den Knochen verbinden. Bei den Sehnen ist nicht nur die Reißfestigkeit ihrer Kollagenfasern bemerkenswert, sondern auch die hervorragende Verflechtung dieser Fasern. In dem Buch Biomimicry schreibt Janine Benyus, daß sich die entflochtene Sehne „durch eine fast unglaublich vielschichtige Präzision auszeichnet. Die Unterarmsehne gleicht einem verdrillten vieladrigen Seil, das Drahtseilen einer Hängebrücke ähnelt. Jeder einzelne Draht wiederum besteht aus miteinander verflochtenen dünneren Drähtchen. Jedes dieser dünnen Drähtchen ist wiederum ein verwundenes Molekülbündel, das seinerseits, wie zu erwarten, ein spiralförmiges Bündel von Atomsträngen ist. Immer wieder kommt mathematische Schönheit zum Vorschein.“ Die Sehne ist, wie die Autorin sagt, „genial konstruiert“. Überrascht es daher, wenn Wissenschaftler davon reden, daß der Aufbau in der Natur sie inspiriert? (Vergleiche Hiob 40:15, 17.)

Wie bereits erwähnt, verblassen künstliche Verbundstoffe neben den Werkstoffen in der Natur. Dennoch sind Kunststoffe bemerkenswert. Sie werden sogar unter die zehn herausragendsten technischen Errungenschaften der letzten 25 Jahre eingereiht. Verbundwerkstoffe auf Graphit- oder Kohlefaserbasis haben zum Beispiel neuartige Flugzeug- und Raumfahrzeugbauteile ermöglicht, neue Sportartikel, Formel-1-Rennwagen, Jachten und leichte künstliche Gliedmaßen, um nur einige wenige Artikel aus der schnell wachsenden Produktliste zu nennen.

Multifunktionaler, geheimnisvoller Blubber

Wale und Delphine sind sich dessen nicht bewußt, aber ihr Körper ist von einem geheimnisvollen Gewebe umgeben — von Blubber, einer Art Fettschicht. „Walblubber ist das vermutlich vielseitigste Material, das wir kennen“, heißt es in dem Buch Biomimetics: Design and Processing of Materials. Zur Begründung wird weiter ausgeführt, daß Blubber eine hervorragende Schwimmhilfe ist, die den Walen das Auftauchen zum Luftholen erleichtert. Blubber verleiht den warmblütigen Säugetieren eine ausgezeichnete Isolation gegen die Kälte des Meeres. Ferner ist er der bestmögliche Nahrungsspeicher für die Tausende von Kilometern langen Wanderungen, bei denen keine Nahrung aufgenommen wird. Fett liefert immerhin zwei- bis dreimal soviel Energie wie Eiweiß oder Zucker.

„Blubber ist auch ein gut federndes gummiartiges Gewebe“, heißt es in dem zuvor erwähnten Buch. „Gemäß unseren Schätzungen kann die elastische Rückfederung des Blubbers, der sich bei jedem Flossenschlag zusammendrückt und ausdehnt, eine Beschleunigung bewirken, die bei längeren Schwimmphasen bis zu 20 % an Kraftaufwand spart.“

Blubber wird seit Jahrhunderten verarbeitet, doch erst jetzt ist zutage getreten, daß die Fettschicht bei diesen Meerestieren etwa zur Hälfte aus einem komplexen Netzgewebe von Kollagenfasern besteht. Wissenschaftler haben zwar die Wirkungsweise dieser Fettverbundstoffmischung noch nicht völlig ergründet, aber sie meinen, ein weiteres Wunderprodukt entdeckt zu haben, das nützlich einzusetzen wäre, wenn man es künstlich herstellen könnte.

Ein achtbeiniges Konstruktionsgenie

In den letzten Jahren haben sich Wissenschaftler auch die Spinnen sehr genau angesehen. Sie wollen unbedingt ermitteln, wie die Tiere die Spinnenseide herstellen, ebenfalls ein Verbundstoff. Viele verschiedene Insekten erzeugen zwar Seidenfäden, doch die Spinnenseide bildet eine Ausnahme. Als einer der reißfestesten Stoffe überhaupt sei sie „der Stoff, aus dem die Träume sind“, sagte ein Wissenschaftsautor. Die Spinnenseide ist so außergewöhnlich, daß die Liste ihrer erstaunlichen Eigenschaften unglaublich lang sein würde.

Warum loben Wissenschaftler die Spinnenseide in den höchsten Tönen? Sie ist nicht nur fünfmal reißfester als Stahl, sondern auch überaus elastisch — Materialeigenschaften, die nur selten gleichzeitig vorhanden sind. Die Seidenfäden der Spinnen sind um 30 Prozent dehnbarer als die elastischste Nylonfaser. Sie federn aber nicht so stark zurück wie ein Trampolin, weshalb die Beute der Spinne nicht fortgeschleudert wird. „Umgerechnet auf menschliche Größenordnungen“, heißt es in der Zeitschrift Science News, „könnte ein Netz, das wie ein Fischernetz aufgebaut ist, ein Passagierflugzeug einfangen.“

Man stelle sich nur einmal die Anwendungsmöglichkeiten vor, wenn man das chemische Können der Spinne nachzuahmen vermöchte — zwei Spinnenarten können sogar sieben unterschiedliche Seidenarten herstellen! Möglich wären stark verbesserte Sicherheitsgurte, Nähte, künstliche Bänder, leichte Schnüre und Seile sowie kugelsichere Gewebe, um nur einiges anzuführen. Die Wissenschaftler wollen auch verstehen, wieso Spinnen die Seide so effizient herstellen können und warum sie ohne giftige Chemikalien auskommen.

Die Getriebe und die Düsentriebwerke in der Natur

Getriebe und Düsentriebwerke halten die Welt von heute in Bewegung. Haben wir indes gewußt, daß die Konstruktionen in der Natur uns auch auf diesem Gebiet voraus sind? Nehmen wir beispielsweise das Getriebe. Das Getriebe des Autos erlaubt es, den Gang zu wechseln, damit der Motor optimal genutzt wird. Das Getriebe in der Natur dient demselben Zweck, doch es verbindet nicht einen Motor mit Rädern. Es verbindet vielmehr Flügel. Und wo ist es anzutreffen? Bei der Stubenfliege. Die Flügel der Fliege sind mit einer dreistufigen Kupplung verbunden, die es dem Insekt gestattet, im Flug sozusagen einen anderen Gang einzulegen.

Der Kalmar, der Krake und der Nautilus haben alle eine Art Düsenantrieb, mit dessen Hilfe sie sich im Wasser fortbewegen. Wissenschaftler blicken mit Neid auf diese Düsentriebwerke. Warum? Die Triebwerke bestehen aus unzerbrechlichen weichen Bauteilen, die dem Druck in großer Tiefe standhalten und geräuscharm sowie effizient laufen. Der Kalmar könne mit bis zu 32 Kilometern in der Stunde vor einem Verfolger fliehen und „zuweilen aus dem Wasser an Deck eines Schiffes springen“, heißt es in dem Buch Wild Technology.

Ja, nur einige Augenblicke über die Natur nachzusinnen kann uns mit Ehrfurcht und Wertschätzung erfüllen. Die Natur ist wirklich ein lebendiges Rätsel, das eine Frage nach der anderen aufsteigen läßt: Welche geheimnisvollen chemischen Vorgänge erzeugen bei Leuchtkäfern und bei bestimmten Algen das helle, kalte Licht? Wie werden in der Arktis verschiedene Fische und Frösche wieder bewegungsfähig, nachdem sie den Winter über steinhart gefroren waren? Wieso können Wale und Seehunde ohne Atemgerät lange unter Wasser bleiben? Und wieso können sie wiederholt in große Tiefen hinabtauchen, ohne die Caissonkrankheit oder Taucherkrankheit zu bekommen? Wie verändert das Chamäleon oder der Tintenfisch seine Farbe, um sich der Umgebung anzupassen? Wie überqueren Kolibris den Golf von Mexiko mit drei Gramm Brennstoff? Die Liste der Fragen scheint endlos zu sein.

Der Mensch kann nur staunend zusehen. Bei Wissenschaftlern, die die Natur erforschen, komme eine „an Verehrung grenzende“ Ehrfurcht auf, heißt es in dem Buch Biomimicry.

[Kasten auf Seite 5]

Verbesserung von Sonnenkollektoren dank einer ausgestorbenen Fliegenart

Bei einem Museumsbesuch sah ein Wissenschaftler Bilder von einer ausgestorbenen, in Bernstein eingeschlossenen Fliege, so berichtete die Zeitschrift New Scientist. Er bemerkte ein Gittermuster auf den Augen des Insekts und vermutete, daß die Augen der Fliege dadurch mehr Licht einfangen konnten, vor allem aus sehr flachem Winkel. Gemeinsam mit anderen Forschern nahm er Untersuchungen auf, die ihre Vermutungen bestätigen sollten.

Die Wissenschaftler machten kurz darauf Pläne, dasselbe Gittermuster in das Glas von Solarzellen zu ätzen. Sie erhoffen sich davon eine Steigerung der Energieausbeute von Sonnenkollektoren. Dadurch könnten sich auch kostspielige Nachführsysteme erübrigen, mit denen gegenwärtig die Solarzellen der Sonne zugewandt werden müssen. Verbesserte Sonnenkollektoren können zu einem geringeren Verbrauch fossiler Brennstoffe beitragen und somit die Umweltverschmutzung reduzieren — ein erstrebenswertes Ziel. Entdeckungen wie diese lassen uns zweifellos erkennen, daß die Natur eine wahre Fundgrube von hervorragenden Konstruktionen ist, die nur darauf warten, entdeckt, verstanden und, wenn möglich, auf nützliche Weise nachgeahmt zu werden.

[Kasten auf Seite 6]

Ehre, wem Ehre gebührt!

Im Jahre 1957 bemerkte der Schweizer Ingenieur George de Mestral, daß die kleinen, hartnäckigen Kletten, die an seiner Kleidung hafteten, mit winzigen Häkchen versehen waren. Er untersuchte die Kletten und ihre Häkchen, und bald hatte sein schöpferischer Geist Feuer gefangen. In den folgenden acht Jahren befaßte er sich damit, ein künstliches Gegenstück zur Klette zu entwickeln. Seine Erfindung eroberte die Welt im Sturm, und heute ist der Klettverschluß ein Begriff.