Manche Skorpione setzen ihren Stachel regelmäßig zur Jagd ein, andere vor allem zum Schutz und zur Selbstverteidigung. Eine neue Studie zeigt nun, dass sich diese unterschiedlichen Lebensweisen direkt in der Materialstruktur und der Chemie der Stacheln widerspiegeln. Entscheidend ist dabei nicht nur, welche metallischen Elemente eingebaut werden, sondern auch, wie die Chitinfasern im Inneren angeordnet sind. Die Ergebnisse liefern Hinweise darauf, wie sich robuste und gleichzeitig leichte und langlebige Materialien entwickeln lassen – und warum sich bestimmte Eigenschaften im Laufe der Evolution in der Natur durchgesetzt haben.

Für die mechanischen Untersuchungen war unter anderem das Team um Megan Cordill und Stanislav Zak am Erich Schmid Institut für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) beteiligt. Geleitet wurde die Studie von Helga Lichtenegger von der Universität für Bodenkultur (BOKU). Analysiert wurden zwei Skorpionarten mit unterschiedlichem Lebensstil: Centruroides platnicki nutzt seinen Stachel aktiv zur Jagd, während Nebo whitei ihn vor allem zur Verteidigung einsetzt. „Also wird ein Stachel täglich benutzt oder täglich beansprucht und der andere nur manchmal“, erklärt Zak. „Wir wollten verstehen, ob sich das auch in den Materialeigenschaften widerspiegelt“, sagt Cordill.

Unterschiedliche Strategien für unterschiedliche Nutzung

Die mechanischen Eigenschaften wurden mithilfe sogenannter Nanoindentation untersucht. Dabei kommt eine feine Diamantspitze zum Einsatz, mit der sich Objekte messen lassen, die kleiner als ein menschliches Haar sind. Mit genau kontrollierter Kraft wird die Spitze in das Material gedrückt. „Soweit wir wissen, sind wir die ersten, die Skorpionstacheln indentiert und Ergebnisse daraus gewonnen haben“, sagt Cordill. Aus der Reaktion des Materials ließ sich bestimmen, wie hart und wie steif die verschiedenen Schichten des Stachels sind. „So konnten wir nicht nur Unterschiede zwischen den beiden Arten messen, sondern auch zeigen, wie sich die Eigenschaften entlang des Stachels von der Spitze bis zur Basis verändern“, erklärt Cordill.

Während bei Nebo whitei ein höherer Zinkanteil in der äußeren Schicht vorkommt, ist der Stachel von Centruroides platnicki stärker durch Mangan und Kalzium geprägt. Mangan und Kalzium tragen stärker zu Steifigkeit und Stabilität bei, während Zink nicht automatisch zu größerer Härte führt und eher mit kurzfristiger Härtung verbunden ist.

Mechanik folgt dem Lebensstil

Die Unterschiede passen genau zum Verhalten der Tiere: Ein Stachel, der häufig eingesetzt wird – etwa zur Jagd – muss vor allem langlebig und verschleißfest sein. Er darf sich nicht schnell abnutzen, sondern muss viele Einsätze überstehen. Wird der Stachel hingegen nur selten verwendet, etwa zur Verteidigung, kommt es weniger auf Dauerhaftigkeit an – dafür aber auf maximale Belastbarkeit im entscheidenden Moment. Er muss kurzfristig besonders hohen Kräften standhalten, wenn es darauf ankommt.

Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass die mechanischen Eigenschaften nicht linear mit der Metallkonzentration zunehmen. Stattdessen scheint es ein optimales Zusammenspiel aus chemischer Zusammensetzung und Struktur zu geben – ein Hinweis darauf, wie präzise biologische Materialien angepasst sind.

Inspiration für neue Materialien

Für die Forschung sind solche Systeme besonders interessant. „Wir können sehr viel von der Natur lernen, wenn es um das Design von Materialien geht“, sagt Cordill. „Und das ermöglicht es uns zu sehen, wo die Funktionalitäten im Verhältnis zum mechanischen Verhalten und zum Lebensstil liegen. Dadurch können wir Materialien besser entwerfen.“

Die Ergebnisse geben auch Einblicke in die Evolution und können helfen, sie besser zu verstehen: „Am Beispiel der Skorpione braucht man andere Eigenschaften, wenn ein Stachel nur gelegentlich eingesetzt wird, als wenn er täglich genutzt wird. So hat sich die Natur in diesen beiden Arten entwickelt.“