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Nano-Architektur und Mineralisation der amorphen Calciumcarbonat-Reservoire terrestrischer Isopoden

Fachliche Zuordnung Systematik und Morphologie der Tiere
Förderung Förderung von 2001 bis 2011
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5315333
 
Erstellungsjahr 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Terrestrische Isopoden resorbieren vor der Häutung aus der Kutikula Calciumcarbonat, das in den ersten vier Sterniten abgelagert und nach der Häutung zur Mineralisation der neuen Kutikula verwendet wird. Diese Calciumcarbonat-Reservoire bestehen aus zwei Schichten die aus Mikro-Sphärolithen sowie einer homogenen Schicht aufgebaut sind. Alle drei Schichten bestehen vollständig aus amorphen Mineralphasen und einer komplex aufgebaute Protein-Matrix. Amorphes Calciumcarbonat hat eine sehr hohe Löslichkeit und ist in der Regel instabil. In biologischen Systemen findet man es aber in stabiler Form, wo es unter anderem als Vorläuferphase für kristallines Calciumcarbonat, wie Calcit, Aragonit und Vaterit, dient. In Isopoden kommt amorphes Calciumcarbonat auch in der Kutikula, zusammen mit Calcit vor. Terrestrische Isopoden sind deshalb ein ideales Modellsystem für die Untersuchung der Bildung amorpher und kristalliner Mineralphasen und deren Funktion in kutikulären Skelettelementen. Mit elektronenmikroskopischen, spektroskopischen und analytischen Methoden wurden die Bildung, der Abbau und die Struktur der Calciumcarbonat-Reservoire erforscht. Die Bildung erfolgt durch Agglomeration von 20 – 30 nm großen ACC Nanopartikeln die bereits Komponenten der Protein-Matrix enthalten. Diese Partikel haben vermutlich eine kolloidale Konsistenz, so dass die Matrixkomponenten durch einen Selbstorganisierungsprozess ein übergeordnetes komplexes Gerüst aus radialen und konzentrischen Fasern bilden können. Dieses Gerüst spielt beim Abbau der Sphärolithe eine besondere Rolle. Überraschenderweise bleibt zunächst die äußere Wand der Sphärolithe erhalten und innere Bereiche werden zuerst aufgelöst. Dabei sorgt eine differentielle Stabilisierung des amorphen Calciumcarbonats durch die organische Matrix für eine enorme Vergrößerung der Oberfläche. Das fördert die schnelle Mobilisierung von Calcium- und Carbonationen für die Mineralisierung der neuen Kutikula und somit die schnelle Wiederherstellung ihrer Schutzfunktion. Präzipitationsexperimente bestätigten, dass unter physiologischen Bedingungen Komponenten der organischen Matrix zur Bildung und Stabilisierung amorphen Calciumcarbonats führen. Die Untersuchungen an der Kutikula von Isopoden haben gezeigt, dass hier amorphes Calciumcarbonat vielfältige Funktionen erfüllt. Es dient als Vorläufer bei der Bildung von Calcit und erleichtert die Resorption von Calciumcarbonat vor der Häutung. Vergleichende Analysen haben gezeigt, dass die Zusammensetzung der Kutikula von ihrer jeweiligen Funktion und dem Habitat der Tiere abhängt. So enthält flexible Kutikula ACC in Kombination mit hohen Konzentrationen organischen Materials und vergleichsweise wenig Mg-Calcit. Steife Kutikula hat einen geringeren Anteil organischen Materials und in terrestrischen Spezies einen höheren relativen Anteil an ACC.

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