Structural mechanics of echinoid skeletons as candidate systems for biomimetic research

Abstract

Echinidenskelette bestehen aus vielen Einzelteilen, wozu die Platten der Schale, Stacheln, Kieferapparat, Skelettscheiben der Ambulakralfüßchen, und die Skelettelemente der Pedicellarien zählen. Diese Elemente sind aus einem kalzitischen Leichtbau Gitternetzwerk, dem Stereom, aufgebaut. Die Schale der Echiniden umgibt die inneren Organe sowie Gewebe und dient als Stützapparat für z.B. die Stacheln. Außerdem fungiert diese Schale als Schutz gegen äußere biotische, sowie abiotische Faktoren. Besonders die Schalen der Clypeasteriden, einer Gruppe irregulärer Echiniden, welche häufig im Sediment eingegraben leben, weisen eine erstaunliche Stabilität auf. Diese Stabilität äußert sich in dem sehr häufigen Auftreten der Clypeasteriden Schalen in rezenten Lebensräumen, als auch im Fossilbeleg. Die Gründe für die besondere Stabilität der Schalen wird in deren strukturellem Aufbau vermutet. Die Schalen der Clypeasteriden, vor allem von Clypeaster rosaceus und Echinocyamus pusillus, werden in extenso untersucht, um die zugrunde liegenden strukturellen Skeletteigenschaften aufzudecken, welche für die Stabilität der Schalen verantwortlich sind. Die Schalen der beiden oben genannten Echiniden Arten wurden mittels Elektronenmikroskopie und Mikro-Computertomographie auf ihre Architektur untersucht. Durch die Anwendung von computerbasierten Methoden für räumliche- und volumetrische Untersuchungen werden neuartige Einblicke in die Mikrostruktur der Schalen,sowie deren strukturelle Einbindung ermöglicht. Ergebnisse zeigen, dass die Schlen der beiden Untersuchungsobjekte meherere Verstärkungsmechanismen auf verschiedenen hierarchischen Ebenen aufweisen, deren Wirkung aber durch biologisch notwendige Strukturen reduziert werden kann. Eine Stabilisierungsstrategie ist das Einbinden der Platten in ein Mosaik, welches von zusätzlichen skeletalen Verbindungen zwischen den Platten sowie Verdickungen an deren Grenzen verstärkt wird. Dieses Plattenarrangement verleiht der Schale eine monolithische Struktur. Auch die Anwesenheit interner Stützelemente hat gezeigt, dass diese sowohl Druck-, als auch Zugspannungen in der Schale verringern. Die Untersuchung der Stereomarchitektur und deren Topologie ergab, dass das Stereom eine gut ausgebildete Lastenträgereigenschaft hat.