Fraktalgeometrie und Multiskalenmechanik von Cephalopodenschalen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ammonoiden sind eine Gruppe äußerst vielfältiger, weit verbreiteter und berühmter Kopffüßer-Fossilien. Die Schalen dieser inzwischen ausgestorbenen Verwandten der modernen Coleoiden (z. B. Kalmare und Kraken) und Nautiloiden (Nautilus und Allonautilus) sind eine wichtige Quelle für Paläontologen, die sich für evolutionäre Dynamik, alteÖkosysteme und Biostratigraphie interessieren. Im Gegensatz zu ihren modernen Verwandten zeigen die Ammonoiden atypische Bereiche innerhalb Schalenmorphologie, was durch Vertreter aus der Kreidezeit wie Nipponites, Diplomoceras und Turrilites sehr schön illustriert wird. Das andere ungewöhnliche Merkmal der Ammonoiden liegt im Inneren ihrer Schale. Eine wichtige evolutionäre Neuerung der Kopffüßer war die Umwandlung der Schale in einen Auftriebskörper. Um dies zu erreichen, enthält die Schale ein internes Gasvolumen, das auf etwa 1 Atmosphäre gehalten wird. Um die Kompression dieses Gasvolumens durch den umgebenden Wasserdruck zu verhindern, wird das Gas in einem starren „Tank“ eingeschlossen, der aus der Schalenwand und Innenwänden aus dem hinteren Mantelgewebe besteht; diese Innenwände werden Septen genannt. Diese Septen zeigen eine evolutionäre Tendenz zu einem zunehmenden Grad der Faltung, während sie gleichzeitig mit sich verändernden Umweltmustern (z. B. Transgressions-Regressions-Zyklen) korrelieren, was darauf hindeutet, dass es sich nicht nur um fabriziertes Rauschen handeln könnte. Das Verständnis der potenziellen Funktionen dieser Strukturen - und damit die Nutzung morphologischer Veränderungen, um uns etwas über Umwelt- oder ökologische Veränderungen zu sagen - ist seit Generationen von Biologen und Paläontologen ein ständiges Forschungsthema. Unser Beitrag besteht in der Untersuchung der potenziellen Anti-Raubtier-Funktion von ammonitischen Septen durch 3D-basierte Methoden. Zu diesen Methoden gehören computergestützte Mechanik und Drucktests von 3D-gedruckten Geometrien. Nach finanziellem Abschluss dieses Projektes lässt sich bereits zusammenfassend sagen, dass immer komplexere Septen die Gefahr lokaler (punktueller) Belastungen der Schale mindern können, indem sie die Belastung von der verletzlichen Schalenwand wegleiten und die Spannung und Dehnung auf das Septum selbst umverteilen. Diese Ergebnisse bedeuten zwar nicht, dass sich die Septen ultimat als Reaktion auf die zunehmende Prädation entwickelt haben, aber sie zeigen, dass dies eine Möglichkeit ist. Daraus ergeben sich zahlreiche weitere Möglichkeiten für die künftige Forschung: Hierzu gehört die Suche nach evolutionären Korrelationen im Fossilbericht zwischen Fressfeinden und der Morphologie der Septen, die weitere Erforschung der mechanischen Auswirkungen dieser einzigartigen biologischen Formen auf die Festigkeit und Zähigkeit der Keramik sowie das Zusammenspiel zwischen potenziell konkurrierenden evolutionären Zwängen der Septenfunktion, der Hydrodynamik der Schale und des Energieaufwands beim Schalenbau.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Semi-empirical formulation of contact with an interphase boundary. Extreme Mechanics Letters, 50, 101541.
Tadayon, K.; Lemanis, R.; Bar-On, B. & Zlotnikov, I.
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Wet shells and dry tales: the evolutionary ‘Just-So’ stories behind the structure–function of biominerals. Journal of The Royal Society Interface, 19(191).
Lemanis, Robert; Tadayon, Kian; Reich, Elke; Joshi, Gargi; Johannes, Best Richard; Stevens, Kevin & Zlotnikov, Igor
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Fractal-like geometry as an evolutionary response to predation?. Science Advances, 9(30).
Lemanis, Robert & Zlotnikov, Igor
