Biologische Stechwerkzeuge: Form folgt Funktion

Die Natur hat eine enorme Vielfalt von Stechwerkzeugen hervorgebracht – von Zähnen über Hörner und Stacheln bis hin zu Dornen. Sie dienen dazu, andere Organismen zu verletzen, aufzuspießen, festzuhalten, zu behindern oder ihnen bestimmte Stoffe zu injizieren. Eine Forschungsgruppe um den Biologen Philip Anderson von der University of Illinois Urbana-Champaign hat nun das mechanische Verhalten dieser biologischen Stechapparate in Computersimulationen modelliert.

Das Team untersuchte Körperstrukturen von 143 verschiedenen Pflanzen- und Tierspezies. Besonders interessierten sie sich dafür, wie physikalische Gesetze und evolutionäre Mechanismen das Aussehen der Werkzeuge beeinflussen. Es stellte sich heraus, dass zwei Merkmale eine wesentliche Rolle spielen: der Keilwinkel und die Querschnittsform. Der Keilwinkel beschreibt die „Spitzigkeit“: Haifischzähne etwa sehen von der Seite aus wie große, breite Dreiecke, Reißzähne von Wölfen dagegen wie dünne, längliche Dreiecke. Die Querschnittsform kann eher rund erscheinen, wie der Stoßzahn eines Elefanten, oder eher flach, wie der Stachel eines Stechrochens.

Die Untersuchungen zeigen: Stechwerkzeuge mit runden Querschnitten eignen sich eher dafür, das aufgespießte Material zu zersplittern und zu zerreißen. So konnte der berühmte T. rex dank seiner riesigen Zähne und enormen Kieferkraft große Beutetiere mittels knochenbrechender Bisse überwältigen. Zähne oder Stacheln mit flacherem Querschnitt hingegen dringen tiefer ein, da sie weniger Zielmaterial verdrängen. Das lange und flache „Schwert“ eines Schwertfischs beispielsweise kann Beutefische komplett durchbohren.

Je flacher aber ein Stechwerkzeug, umso leichter verbiegt es sich oder knickt ab. Um die Knickfestigkeit verschiedener Formen zu ermitteln, verglichen Anderson und sein Team die mechanischen Eigenschaften 25 unterschiedlicher Kegelstrukturen mit diversen Keilwinkeln und Querschnitten – entsprechend der Variationsbreite, die bei den 143 untersuchten Spezies auftritt. Dabei offenbarte sich ein evolutionärer Zielkonflikt: „Versucht man, die Knickfestigkeit zu verbessern, geht die Durchstoßleistung verloren – und umgekehrt“, erklärt Anderson in einer Pressemitteilung seiner Universität. „Man sucht also nach einem Mittelweg, bei dem beide Leistungsmerkmale so weit wie möglich maximiert sind.“

Einige Kegelformen schnitten sowohl hinsichtlich der Penetrationswirkung als auch hinsichtlich der Knickfestigkeit besser ab als andere. Zu den Strukturen mit den besten Leistungen in beiden Bereichen gehören demnach Stachel von Skorpionen, Giftzähne von Königskobras, Dornen von Rosengewächsen, Zähne von Haifischen, Krallen von Rotschwanzbussarden und Mandibeln (Beißwerkzeuge) von Ameisen.

Daneben gibt es Stechwerkzeuge, die zwar eine hohe Penetrationswirkung haben, aber relativ leicht knicken. Etwa die Dornen von Kakteen, die die Funktion von „Einwegartikeln“ erfüllen, wie Anderson es ausdrückt: „Es spielt (für die Pflanze) keine Rolle, wenn sie abbrechen.“ Damit verglichen dringen die Eckzähne von Raubtieren weniger effizient ein, widerstehen Verformungskräften aber besser. „Viele Säugetiere bekommen nur zwei Zahngenerationen: das Milch- und das bleibende Gebiss“, erklärt Anderson. „Aus evolutionärer Sicht ist es vor allem wichtig, zu verhindern, dass sie verloren gehen.“