Exoskelett: Außenskelett im Tierreich

Das Exoskelett ist eine tragende Struktur für den Körper, das eine stabile Außenhülle um sich herum bildet. Zusammen mit dem Endoskelett und dem Hydroskelett ist es eine der drei Hauptformen der Skelettbildung im Tierreich. Exoskelette sind typisch für Arthropoden, den größten Stamm in der Tierwelt. Andere Tierarten wie Weichtiere und Bryozoen haben ebenfalls Exoskelette.

Exoskelett ist ein Sammelbegriff für die äußeren Stützstrukturen von einzelligen und mehrzelligen Organismen, die den Körper als Stützkorsett umgeben. Der Begriff Exo- (oder Endo-) Skelett als geschlossenes Organsystem wird hauptsächlich im Tierreich verwendet, obwohl die Zellulose- und Ligninwände von Pflanzenzellen, die lebende Protoplasten bilden, auch als Exoskelett bezeichnet werden können.

Exoskelett der Gliederfüßer

Im Gegensatz zu Wirbeltieren haben alle Arthropoden wie Kieferträger, Insekten und Krebstiere hauptsächlich ein stabilisierendes Exoskelett anstelle eines Endoskeletts (inneres Skelett). Nur bei einigen wenigen, meist winzigen aquatischen Krebstieren wurde es zugunsten eines Hydroskeletts aufgegeben.

Die Nagelhaut eines Arthropoden, die als Exoskelett fungiert, ist eine Hülle, die von der äußeren Zellschicht getrennt ist. Dabei ist es ein flexibler Hochleistungsverbundwerkstoff aus mehreren Komponenten. Die Hauptkomponenten sind Fasern aus Chitin, einem stickstoffhaltigen Kohlenhydrat mit ähnlichen Eigenschaften wie Cellulose. Jeweils 19 Chitinfasern sind antiparallel zueinander angeordnet und bilden ein etwa 3 Nanometer dickes und 0,3 Mikrometer langes Kristallbündel, die sogenannte Mikrofibrille. Chitin-Mikrofibrillen sind von Strukturproteinen umgeben, die eine spezifische Bindungsstelle für Chitin aufweisen.

Je nach Anteil und Zusammensetzung der Proteinkomponente entsteht eine harte oder weiche, flexible Nagelhaut. Die harte Nagelhaut führt zu verhärteten Platten (Skleriten), Haaren, Gliedmaßen, Mund und ähnlichen Strukturen. Weiche und flexible Designs, z. B. die flexible Membran vieler Insektenlarven, hält harte Skleritis aufgrund der aktivierten Gelenkmembran beweglich. Die flexible Nagelhaut beinhaltet ungefähr zwanzig, die gehärtete Nagelhaut kann über zweihundert verschiedene Proteine enthalten, die in zwölf Familien von Proteinen unterteilt sind, die einander ähnlich sind.

Der als Sklerotisierung bekannte Härtungsprozess der Nagelhaut basiert auf zwei hormonkontrollierten Prozessen, die sich bei der Bildung neuer Prozesse ergänzen. Einerseits wird Wasser aus dem Körper ausgeschieden, wodurch die wasserabweisenden (hydrophoben) Komponenten gezwungen werden, fester zusammenzukleben. Andererseits ist ein Teil des Proteins eng mit der Netzwerkstruktur verbunden. Dopamin spielt dabei eine Schlüsselrolle. Die aus Dopamin synthetisierten Verbindungen N-beta-Alanyldopamin und N-Acetyldopamin werden in die Nagelhaut freigesetzt, wo sie enzymatisch zu hochreaktiven Chinonen oxidiert werden. Sie reagieren mit Proteinen unter Bildung eines stabilen, nicht mehr abbaubaren Netzwerks kovalenter Bindungen.

Künstliche Exoskelette

In der Medizin werden externe Stützstrukturen (Orthesen) verwendet, bis das natürliche Skelett verheilt ist. Verschiedene Arten von Panzerungen werden auch Exoskelette genannt, welche die Bewegung des Benutzers unterstützen oder verbessern, indem sie die Gelenke des Exoskeletts mit Servomotoren antreiben. Diese Arten von Exoskeletten werden derzeit in Japan und den USA entwickelt. Dazu gibt jedoch keine Berichte über ausgereifte militärische Modelle. Über den Einsatz ziviler Modelle gibt es nur verschiedene konzeptionelle Studien mit unterschiedlichem Reifegrad.

Wahrscheinlich war der erste Exoskelettversuch der Hardiman, ein fehlgeschlagener experimenteller Prototyp, der 1965 von General Electric gebaut wurde. Die amerikanische Firma ihres Gründers Monty K. Reed aus Seattle hat einen Lifesuit für Menschen entwickelt, die gelähmt sind.

Wie viele technische Erfindungen ist das Exoskelett eine Kopie der Natur. Im Tierreich, insbesondere bei Insekten, ist das Exoskelett eine verstärkende Skelett-Struktur. Die Leute sahen das und erfanden ein künstliches Exoskelett. Das Exoskelett erhöht die körperlichen Fähigkeiten des Benutzers, sodass Sie mit wenig Aufwand beispielsweise schwere Lasten heben können.

Zum Beispiel veröffentlichte die japanische Firma Cyberdyne das erste Exoskelett namens „HAL“ (Hybrid Assistive Limb). Es wurde entwickelt, um älteren und behinderten Menschen wieder ein wenig Mobilität zu ermöglichen.

So funktioniert es: Dieses Exoskelett besteht aus zwei Teilen, einem Steuerungssystem und einem entsprechenden Teil, der Informationen aus einem Steuerungssystem in Aktionen umwandelt. Das Steuerungssystem ist die interessantere Komponente. Dieses verwendet einen Wandler, um die Bewegung eines Teils des Muskels aufzuzeichnen und entscheidet, ob dieser Muskel aktiv oder inaktiv ist. Wenn er aktiv ist, wird diese Bewegung verarbeitet und ein Signal an den entsprechenden Teil übertragen. Dieser Teil bewegt sich entsprechend. Zum Beispiel: ein Bein. Der Sensor ist am Oberschenkel angebracht. Der Benutzer bewegt nun die untere Beinhälfte. Der Sensor registriert diese Bewegung über den Sensor. Das Steuersystem, in das der Sensor eingebaut ist, sendet die verarbeiteten Informationen nun an einen Teil des Exoskeletts, der die empfangenen Informationen verarbeitet und in entsprechende Bewegungen umwandelt. Der wirklich schwierige Teil beim Aufbau eines Exoskeletts ist die Kalibrierung des Steuerungssystems.

Evolutionäre Entwicklung des Exoskeletts

Aufgrund des Mangels an Fossilien ist nicht klar, ob es jemals Phasen des Übergangs vom Exoskelett zum Endoskelett (Skelett im eigentlichen Sinne) gegeben hat. Die Entwicklung der Fische begann mit einem Tier, das einem Lanzettenfisch ähnelte, der immer noch in seichten Gewässern auf der ganzen Welt lebt. Sie haben einen Rückenakkord, eine stabförmige hintere Saite mit einem Neuralrohr, aber kein Gehirn (daher das Fehlen eines Schädels). Wie Wirbeltiere gehören sie zu Chordata und stellen eine Verbindung zu anderen Wirbellosen dar.

Vor 420 Millionen Jahren gab es knorpelige Fische mit schuppigen Knochenplatten, aber dieses Exoskelett war wahrscheinlich evolutionär jünger als das knorpelige Endoskelett des Fisches. Die knöcherne Schale verschwand bald, und von den knorpeligen Fischen haben bis heute nur Haie und Rochen überlebt. Sie zeigen, dass ihre alte Anatomie, kombiniert mit hochsensiblen Sinnen, noch zukunftsfähig ist.

Vor 390 Millionen Jahren erschien der erste knöcherne Fisch, bei dem Knochen durch Knorpel ersetzt wurden. Das Skelett ist der „Triumph der Evolution“. Derzeit leben über 50.000 Wirbeltierarten mit dieser äußerst vielfältigen „Knochenarchitektur“. Ihr Spektrum reicht vom 8 mm großen männlichen Photocorynus spiniceps-Frosch bis zum Kondor, der Giraffe und dem Blauwal, die eine Länge von über 34 m und ein Gewicht von 144 t erreichen können.

Das Wirbeltierskelett entwickelte sich aus zwei verschiedenen Strukturen: Während die Knochen der Wirbelsäule und der Gliedmaßen aus dem Endoskelett entstanden, entstanden die meisten Knochen des Schädels aus dem Exoskelett.

Beispiele für ein Exoskelett aus dem Tierreich

Skorpione
Ein Skorpion ist gefährlich, aber unglaublich interessant. Einige leuchten im Mondlicht – genauer gesagt, ihr Exoskelett. Wenn ultraviolettes oder schwarzes Licht auf einen Skorpion trifft, werden bestimmte Substanzen im Exoskelett stimuliert und senden sichtbares Licht aus.

Muscheln
Außen hart, innen zart. Muscheln gehören zu den Weichtieren. Ihr „weicher Kern“ ist von zwei Hälften einer harten Schale umgeben und geschützt. Eine Art gepanzertes Exoskelett. Eine sogenannte „Schlagplatte“ hält die beiden Körperhälften zusammen. Auf diese Weise können sie nicht verrutschen. Muschelschalen werden aus Kalziumkarbonat hergestellt – was Kalk ist.

Tausendfüßler
Tausendfüßler haben wie alle Insekten ein Chitin-Exoskelett, das ihre Körperform beibehält. Chitin ist ein sehr hartes und starkes und dennoch flexibles Kohlenhydrat. Um zu verhindern, dass der Chitinanzug Insekten erwürgt, hat er Löcher. Somit kann der Körper Sauerstoff erhalten.