Mechanische und elementare Charakterisierung der Mandibelcuticula von Ameisen und die Auswirkung auf das Beißverhalten

• Antragsteller: Dr. Cristian Luan Klunk
• Fachliche Zuordnung: Systematik und Morphologie der Tiere
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541551257

Die Mandibeln sind die wichtigsten Werkzeuge der Ameisenarbeiterinnen. Sie übernehmen variable Aufgaben, vom Bewegen der Brut über die Verarbeitung der Nahrung bis hin zu kräftigen Verteidigungsbissen. Diese Multitasking-Eigenschaft sollte einen deutlichen Einfluss auf die morphologische Evolution der Mandibeln gehabt haben. Neben den Auswirkungen auf die Morphologie der Mandibeln ist für einige Blattschneiderameisen bekannt, dass die Anreicherung von Übergangsmetallen wie Zn in der Cuticula entlang der Mansibelleiste deren Härte und Verschleißfestigkeit erhöht. Aber auch andere Bereiche der Mandibeln werden beim Biss stark beansprucht, wie z. B. die Gelenke mit der Kopfkapsel, deren spezifische Materialeigenschaften bei Ameisen bisher kaum gemessen wurden. Ein weiterer relevanter Aspekt der Bissmechanik sind die auftretenden Beißkräfte. Es gibt Hinweise darauf, dass Ameisenarbeiterinnen inter- und intraspezifisch in ihren Beißkräften variieren können, aber wie sich die Variation in den mechanischen Eigenschaften der Mandibeln auf die Bissbelastung widerspiegelt, ist bei Ameisen noch wenig erforscht. Im Rahmen dieses Vorhabens möchte ich die elementare chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften der Cuticula des Mandibeln von zwei Ameisenarten, Formica cunicularia und Acromyrmex sp. messen und die Beißkräfte der Arbeiterinnen ermitteln. Schließlich möchte ich mit Hilfe von Beißsimulationen die Auswirkungen der mechanischen Eigenschaften und der heterogenen Kraftverteilung in den Mandibeln untersuchen. Ich stelle die Hypothese auf, dass der bezahnte Mandibelkante die höchsten Werte für den Elastizitätsmodul (E) und die Härte (H) aufweist, gefolgt von den Gelenkstellen mit dem Kopf und der Mandibelfläche. Außerdem erwarte ich, dass die Variation der mechanischen Eigenschaften mit der Variation der Elementzusammensetzung entlang der Mandibelregionen korreliert, insbesondere hinsichtlich der Verteilung der Übergangsmetalle. Ich werde die H- und E-Werte der Cuticula durch Nanoindentation und die Elementzusammensetzung der einzelnen Mandibelbereiche durch Röntgendispersionsspektroskopie messen. Außerdem werde ich konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie einsetzen, um die Variation des Sklerotisierungsgrades der Cuticula entlang der Mandibeln quantitativ zu bewerten. Schließlich werde ich direkt die Beißkräfte der Ameisenarbeiterinnen messen. Um die Auswirkungen unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften und deren räumliche Heterogenität auf den Mandibeln auf die Bissleistung zu untersuchen, werde ich mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse (FEA) Beißbedingungen simulieren und dabei Mandibeln mit homogener bzw. heterogener Verteilung von E in den definierten morphologischen Mandibelbereichen vergleichen. Für die FEA werden die Mandibeln als 3D-Oberflächenmodelle gerendert, die mit Synchrotron-Mikrocomputertomographie erstellt werden. Dieses Projekt wird einen bedeutenden Beitrag zum Verständnis der Funktionsmorphologie der Ameisen leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen