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2024-10-11T23:09:46Z

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[[Datei:Sandfish skink 4.JPG|mini|Die Körperoberfläche des Apothekerskinks (''Scincus scincus'') ist von Hornschuppen bedeckt und trotzdem sehr flexibel und elastisch.]]
Als '''Sandfischeffekt''' bezeichnet man die [[abrieb]]s- und [[reibung]]reduzierenden Merkmale des Panzers einiger wüstenbewohnender [[Reptilien]]. Bisher ist er von drei [[Gattung (Biologie)|Gattungen]] bekannt: Den [[Apothekerskink|Sandfischen]] (''Scincus''), den [[Sandschleichen]] (''Sphenops'') und den [[Echte Sandboas|Echten Sandboas]] (''Eryx''). Es wird angenommen, dass diese Reptilien die spezielle Struktur der Haut jeweils [[Konvergenz (Biologie)|konvergent]] als eine Anpassung an die im Wüstensand grabende Lebensweise entwickelten.

== Erklärung anhand der Hornschuppenstruktur ==
Die [[Hornschuppe|Schuppen]] sind wie bei anderen Reptilien aus [[Keratin]] gebildet, die eine besondere Mikrostruktur besitzen. Unter dem [[Rasterelektronenmikroskop]] zeigen die Schuppen in Abständen von etwa 5–8 Mikrometern quer verlaufende Schwellenstrukturen von etwa einem 1 Mikrometer Durchmesser und 250 Nanometer Höhe.<ref name="Beilstein_18" /> Bei Rückenschuppen sind zusätzlich dornenartige Fortsätze („Nano-Spikes“, 40 [[Nanometer|nm]]) auf dem Rand der Schwellenstrukturen zu erkennen.<ref name="REM_Scale24" /> Der Durchmesser eines durchschnittlichen Sandkorns entspricht im Schnitt der Ausdehnung von 38 Schwellen. Sie fungieren als „Bürsten“, welche fest an den Sandkörnern haftende [[Tonminerale|Tonmineralien]]-Schichten abstreifen. Dies vermindert den [[Reibungskoeffizient]] signifikant. Dadurch wird auch verhindert, dass sich die Tonmineralien an der Haut absetzen. Die Tonminerale konnten in einem Versuch von den Schwellen durch leichtes Pusten oder einen weichen Pinsel entfernt werden. Die Struktur der Schuppen verhindert auch deren Abnutzung. Aufgrund dieser Merkmale können sich die Reptilien schnell im Sand fortbewegen, ähnlich dem Schwimmen im Wasser. In Versuchen zeigte sich, dass die Schuppen dieser Reptilien abriebs- und reibungsärmer als konventionelle Materialien wie etwa Stahl sind. Ein weiteres besonderes Merkmal des β-Keratins in den Hornschuppen von ''S. scincus'' ist sein hoher ([[O-Glykosylierung|O]] und [[N-Glykosylierung|N]])-[[Glykosylierung]]sgrad. Die [[Mannose]]-reichen Kohlenhydrate bewirken im Vergleich zu wenig glykosiliertem β-Keratin eine Reduktion des Reibungskoeffizienten der Schuppen und erhöhen darüber hinaus ihre Elastizität.<ref name="Baumgartner_2015" /><ref name="Staudt_β-keratin_A" /><ref name="Staudt_β-keratin_B" /> Die verzweigten Kohlenhydratstrukturen reduzieren wahrscheinlich die [[Adhäsion]]skräfte der Sandkörnchen an die Schuppenoberfläche durch Verringerung der [[Van-der-Waals-Kräfte]] auf molekularer Ebene.<ref name="Glykane_2016" />

Der Sandfischeffekt ist ein aktuelles Forschungsthema der [[Bionik]].<ref name="Glykane_2016" />

== Kritik und alternative Erklärungen ==
Weitergehende wissenschaftlich-technische Untersuchungen der Schuppen widersprechen der Theorie, dass es einen besonderen Zusammenhang zwischen dem reibungsarmen Gleiten des Schuppenpanzers im Sand und seinen tribologischen Eigenschaften gibt. Zunächst wurde auf morphologischer Ebene festgestellt, dass die überlappenden Schwellenstrukturen inkl. der Dornenränder bei einigen anderen „nicht-sandschwimmenden“ Reptilien wie z. B. ''[[Berberskink|E. schneiderii]]'' vorkommen, davon auch einige in grundlegend verschiedenen Habitaten lebend.<ref name="Beilstein_18" /><ref name="Vihar_2015" /> Zum anderen ist das Vorkommen beider Strukturmerkmale stark von der [[Anatomische Lage- und Richtungsbezeichnungen#Anatomische Hauptrichtungen|anatomischen Lage]] abhängig: Die dorsalen Hornschuppen zeigen überlappendende Schwellenstrukturen, während die ventralen bei ''S. scincus'' nahezu flächendeckend glatt sind.<ref name="Baumgartner_2015" /> Der ventrale Teil des Körpers kommt auch oberhalb des Sandbodens am häufigsten mit abrasiven Materialien in Kontakt.<ref name="Beilstein_18" /><ref name="Vihar_2015" />

Messungen des Reibungskoeffizients (µ) mit Hilfe eines Mikro-[[Tribometer]]s und der [[Rasterkraftmikroskop]]ie ergaben, dass die Hornschuppen von ''S. scincus'' im Nanometer-Maßstab weniger als ein Drittel des Reibungskoeffizienten von Plexiglas oder [[Polyetheretherketon]] aufwiesen, jedoch auf mikroskopischer Ebene vergleichbare oder höhere Werte aufwiesen. Außerdem ergaben Messungen der Hornschuppen von ''Spalerosophis diadema'', einer nicht-sandschwimmenden Diademnatter, weniger als die Hälfte des µ-Werts. Die Bestimmung des Härtegrades der Hornschuppen mittels einer Prüfspitze ergab mit ''S. diadema'' vergleichbare Werte.<ref name="Beilstein_18" />

Aus diesen Messungen wurde die Schlussfolgerung gezogen, dass der Hornschuppenpanzer von Tieren wie ''S. scincus'', die typischerweise den Sandfischeffekt aufweisen, zwar gute und für ihren Lebensraum hinreichende aber keine außergewöhnlichen tribologischen Eigenschaften besitzt. Für den Sandfischeffekt ist abseits der tribologischen Eigenschaften vielmehr die Flexibilität des Hornschuppenpanzers und die evolutiv erworbene Schlängelbewegung der Tiere während des „Sandschwimmens“ verantwortlich.<ref name="Beilstein_18" /><ref name="Baumgartner_2015" />

== Siehe auch ==
* [[Lotuseffekt]]

== Literatur ==
* [[Ingo Rechenberg]] u. a.: [http://www.bionik.tu-berlin.de/institut/TriboDueSa.pdf ''Tribologie im Dünensand – Sandfisch, Sandboa und Sandschleiche als Vorbild für die Reibungs- und Verschleißminderung.''] Schlussbericht, BMBF-Förderkennzeichen 0311967A, Laufzeit 1. Februar 2006 bis 31. März 2009, (PDF-Datei; 3,32 MB)

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="REM_Scale24">
{{Internetquelle
|url=https://www.sciencephoto.com/media/153543/view/sand-skink-skin-sem
|titel=Sand skink skin, SEM
|hrsg=Science Photo Library Limited
|datum=2024
|abruf=2024-10-08}}
</ref>
<ref name="Staudt_β-keratin_A">
{{Literatur
|Autor=K. Staudt, F. P. M. Saxe, H. Schmied, R. Soeur, W. Böhme, W. Baumgartner
|Titel=Comparative investigations of the sandfish‘s β-keratin (Reptilia: Scincidae: Scincus scincus). Part 1: Surface and molecular examinations
|Sammelwerk=Journal of Biomimetics, Biomaterials & Tissue Engineering
|Band=15
|Datum=2012
|Seiten=1–16
|DOI=10.4028/www.scientific.net/JBBTE.15.1}}
</ref>
<ref name="Staudt_β-keratin_B">
{{Literatur
|Autor=K. Staudt, W. Böhme, W. Baumgartner
|Titel=Comparative investigations of the sandfish‘s β-keratin (Reptilia: Scincidae: Scincus scincus). Part 2: Glycan-based friction reduction
|Sammelwerk=Journal of Biomimetics, Biomaterials & Tissue Engineering
|Band=16
|Datum=2012
|Seiten=1–9
|DOI=10.4028/www.scientific.net/JBBTE.16.1}}
</ref>
<ref name="Vihar_2015">
{{Literatur
|Autor=Boštjan Vihar
|Titel=Mimicking the abrasion resistant sandfish epidermis
|Verlag=Publikationsserver der RWTH Aachen University
|Ort=Aachen
|Datum=2015
|DNB=1128157004
|Seiten=16–18
|Online=https://publications.rwth-aachen.de/record/538206/files/538206.pdf}}
</ref>
<ref name="Baumgartner_2015">
{{Literatur
|Autor=Baumgartner, W.
|Titel=Friction-Reducing Sandfish Skin
|Hrsg=Bhushan, B.
|Sammelwerk=Encyclopedia of Nanotechnology
|Verlag=Springer
|Ort=Dordrecht
|Datum=2015-09-16
|ISBN=978-94-007-6178-0
|DOI=10.1007/978-94-007-6178-0_258-2
|Seiten=4–6}}
</ref>
<ref name="Glykane_2016">
{{Literatur
|Autor=B. Vihar, F. G. Hanisch und W. Baumgartner
|Titel=Neutral glycans from sandfish skin can reduce friction of polymers
|Sammelwerk=Journal of the Royal Society
|Band=13
|Nummer=116
|Datum=2016-03
|Seiten=1–7
|DOI=10.1098/rsif.2016.0103}}
</ref>
<ref name="Beilstein_18">
{{Literatur
|Autor= Wu, W.; Lutz, C.; Mersch, S.; Thelen, R.; Greiner, C.; Gomard, G.; Hölscher, H.
|Titel=Characterization of the microscopic tribological properties of sandfish (Scincus scincus) scales by atomic force microscopy
|Sammelwerk=Beilstein Journal of Nanotechnology
|Band=2018
|Nummer=9
|Datum=2018-10-02
|Seiten= 2618–2627
|DOI=10.3762/bjnano.9.243}}
</ref>
</references>

[[Kategorie:Bionik]]
[[Kategorie:Technische Tribologie]]

Sandfischeffekt - Versionsgeschichte

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