Die Forscher beschreiben ihre Ergebnisse in einem Artikel, der am 5. Juni in der Zeitschrift Matter veröffentlicht wurde.
Tiefseekreaturen haben einige faszinierende Anpassungen entwickelt, wie Biolumineszenz, Augen, die bei schwachem Licht sehen können, und Münder, die viel größere Beute verschlingen können. Einige Arten, wie der Tiefsee-Drachenfisch (Aristostomias scintillans), haben transparente Zähne.
„Es ist eine Anpassung, die unseres Wissens noch nicht im Detail untersucht wurde“, sagte Audrey Velasco-Hogan, Doktorandin in Materialwissenschaften an der Jacobs School of Engineering der UC San Diego und Erstautorin der Studie. „Indem wir untersuchen, warum diese Zähne transparent sind, können wir Tiefseeorganismen wie den Drachenfisch und die Anpassungen, die sie entwickelt haben, um in ihrer Umgebung zu leben, besser verstehen.“
Transparente Zähne zusammen mit einem dunklen Körper machen den Drachenfisch für seine Beute im Wesentlichen unsichtbar, erklärte Velasco-Hogan. Aufgrund dieser Tarnung gehören Drachenfische zu den Top-Raubtieren der Tiefsee, obwohl sie klein (etwa 15 Zentimeter lang) und relativ langsam sind.
„Sie verbringen die meiste Zeit damit, mit offenem Kiefer herumzusitzen und darauf zu warten, dass etwas vorbeikommt. Ihre Zähne sind immer freigelegt, daher ist es wichtig, dass sie transparent sind, damit sie kein biolumineszierendes Licht aus der Umgebung reflektieren oder streuen „, sagte Velasco-Hogan.
Um die Geheimnisse der Zahnverkleidung des Drachenfisches zu lösen, stellten die Forscher die Nanostruktur der Zähne mit einer Kombination aus Elektronenmikroskopie, fokussiertem Ionenstrahl und Nanoindentationstests dar und analysierten sie. Sie entdeckten, dass die Zähne sowohl in ihrer äußeren schmelzähnlichen Schicht als auch in ihrer inneren Dentinschicht einzigartige Eigenschaften aufweisen.
Die schmelzähnliche Schicht besteht aus Hydroxylapatit-Nanokristallen, die so strukturiert sind, dass Licht nicht von der Zahnoberfläche gestreut oder reflektiert wird. Die Dentinschicht ist auch auf ihre besondere Weise strukturiert. Es fehlen mikroskopisch kleine Kanäle, die als Dentintubuli bezeichnet werden und den Zähnen von Menschen und anderen Tieren ihre Farbe verleihen. Das Fehlen von Tubuli ist auch dafür verantwortlich, dass Drachenfischzähne transparent werden.
„Typischerweise sind Zähne nicht nanostrukturiert. Und sie neigen dazu, mikroskalige Merkmale wie Dentintubuli zu haben. Aus Materialsicht ist es wirklich interessant zu sehen, dass Drachenfischzähne Architekturen haben, die wir bei anderen nicht sehen „, sagte Velasco-Hogan.
„Ich finde es auch faszinierend, wie es grundlegende Ähnlichkeiten zwischen Materialien im Labor und in der Natur gibt“, fügte sie hinzu. „Experimentell wissen wir, dass der Weg, ein Material transparent zu machen, darin besteht, seine Korngröße zu reduzieren, um es nanostrukturiert zu machen. Zu sehen, wie die Natur Transparenz schafft, ist also eine interessante Parallele.“
Interdisziplinäre Teamarbeit
Velasco-Hogan war Teil eines interdisziplinären Forscherteams, das als erstes die Drachenfischzähne im Detail untersuchte. Velasco-Hogan bildete die Zähne ab, charakterisierte ihre Transparenz und untersuchte ihre mechanischen Eigenschaften. Sie arbeitete unter der Leitung von Marc Meyers, Professor in den Abteilungen NanoEngineering und Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UC San Diego.
“ Meine Gruppe ist immer auf der Suche nach neuen Materialien in der Natur zu studieren“, sagte Meyers, dessen Forschung konzentriert sich auf Biomimikry. „Und interdisziplinäre Kooperationen sind ein wesentlicher Bestandteil unserer Arbeit. Wenn wir Wissenschaftler mit unterschiedlichem Hintergrund zusammenbringen, können wir das Wissen in unseren Bereichen auf eine Weise weiterentwickeln, die ein einzelnes Labor allein nicht leisten könnte.“
Sie arbeiteten mit Dimitri Deheyn zusammen, einem Meeresbiologen an der Scripps Institution of Oceanography an der UC San Diego, der Biolumineszenz und Biomimikry erforscht. Deheyn schlug die Idee für die Studie vor, sammelte die Proben, führte bildgebende Experimente durch und charakterisierte die Transparenz der Zähne.
„Die ultimative Anpassung, die Organismen an bestimmte Umgebungen zeigen, war schon immer ein Treiber für technologische Innovationen, und der Drachenfisch ist keine Ausnahme“, sagte Deheyn. „Es gibt eindeutig noch eine breite Inspiration, die vom Drachenfisch und der Natur im Allgemeinen gesammelt werden kann, und dieser Schnittpunkt zwischen Biologie und Technik durch Biomimikry ist eindeutig ein lukrativer Weg für nachhaltige Innovationen.“
Beteiligt war auch das Labor von Eduard Arzt, Direktor des Leibniz-Instituts für Neue Materialien (INM) in Saarbrücken. Marcus Koch, Leiter der Physikalischen Analytik am INM, analysierte die Nanostruktur der Zähne mit einem speziellen Elektronenmikroskop. Birgit Nothdurft, Technikerin in der Abteilung Physikalische Analytik am INM, führte eine hochspezialisierte Präparation der Proben durch.
Diese Arbeit wurde vom Air Force Office of Research unterstützt (Zuschüsse FA9550-15-0009 und FA9550-10-1-0555 ), der Deutschen Humboldt-Stiftung und der Initiative Biomimicry for Emerging Science and Technology.