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Main Title: Selbstreinigungseigenschaften der Haut des Pilotwales Globicephala melas
Translated Title: Self-cleaning abilities of the skin of the pilot whale, Globicephala melas
Author(s): Baum, Christof
Advisor(s): Fleischer, Lutz-Guenther
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In der vorliegenden Arbeit werden mit optischen, chemischen und physikalischen Methoden ermittelte Ergebnisse über die Struktur-Funktions-Beziehungen der Hautoberfläche des Pilotwales beschrieben. Folgende Verfahren wurden angewendet: Histochemie in Verbindung mit Lichtmikroskopie (LM), Kryo-Rasterelektronenmikroskopie (Kryo-REM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Vielwinkel-Laser-Streulicht-Photometrie (engl., multi-angle laserlight scattering, MALLS), Photoelektronenspektroskopie für die chemische Analyse (ESCA) und Rheologie. Die experimentellen und theoretischen Untersuchungen hatten zum Ziel, die Strukturen und Eigenschaften der Haut haarloser mariner Säuger als Trenn- und Austauschfläche zwischen Organismus und Umwelt sowie ihre Funktion als Barriere gegenüber dem permanenten Besiedlungsdruck durch Biofouling-Organismen zu charakterisieren. Kyro-rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass nur gelegentlich Aufwuchs an der Hautoberfläche des Pilotwales zu finden ist. Die Hautoberfläche von Pilotwalen wies eine laterale Rauigkeit unter 30 nm auf. Die strukturgebenden Rauigkeiten resultierten aus einem Porenrelief desmosomaler Glykoproteine mit Porengroessen um etwa 0,2 µm2, das mit einem Gel gefüllt war. Die biochemische Untersuchung des Stratum corneums ergab, dass die an Glykoproteinen reiche Interzellularsubstanz Aggregate bildet. Die Aggregate bildeten sich als Vielfache aus einer Fraktion von 20-30 kD Glykoproteinen. Die chemische Oberflächenanalyse der Haut und des interzellulären Gels zeigten die Anwesenheit von unpolaren und polaren Gruppen. Zu den polaren Gruppen zählten freie Amino-Gruppen. Die chemische Analyse bestätigte, dass die chemische Zusammensetzung der Hautoberfläche wesentlich von der Zusammensetzung des Gels determiniert wird, welches die Poren der Interzellularraeume ausfuellt. Die durch Zentrifugation angereicherte Interzellularsubstanz des Stratum corneums erwies sich in rheologischen Experimenten unter mechanisch periodisch-harmonisch oszillierenden Belastungen als gelbildend. Die Geleigenschaften nach Beendigung der Strukturbildung entsprachen mit Speichermodulen G´ <1200 Pa und Verlustmodulen G´´ >120 Pa (bei fallender und steigender Frequenz w zwischen 43,98 und 0,13 rad·s-1 und einem Scherstress von t = 15 Pa, T = 20 °C) chemisch kovalent vernetzten Gelen hoher Elastizität. Die Messergebnisse an der Delfinhaut weisen gegenüber nicht-kovalent vernetzten Schleimen und Biofilmen, wie sie unter anderem aus Biofoulingprozessen bekannt sind, eine deutliche höhere Elastizitaet und Stressunempfindlichkeit auf. Basierend auf der Bildung eines viskoelastischen Gels im Interzellularraum des Stratum corneums bilden sich so bei der natürlichen Abschilferung von Hautzellen (Desquamation) an der Hautoberfläche des Pilotwales immer wieder neue Oberflächen mit lateralen Rauigkeiten unter 30 nm. Aus den Ergebnissen wird geschlossen, dass Schleime wegen der höheren Stess-resistenz des Gels das Gel nicht aus den Poren verdraengen können und die Hautoberfläche in einem großen physikalischen Belastungsbereich eine viskoelastische ebene Fläche darstellt. Diese Ebene weist nur wenig Kontaktpunkte für Biofouling-Organismen auf und bietet wegen der Abwesenheit von Mikronischen gute Vorraussetzungen, Biofouler durch Scherstroemungen oder Luftblasen während des für Delfine typischen Sprungverhaltens zu entfernen.
The skin surface of pilot whales was studied employing morphological and histochemical methods (C-SEM, SEM, TEM, LM), combined with biochemical analyses (MALLS and XPS), and rheological measurements, with emphasis on the interrelationship between structured and functional properties of the skin of dolphins. In the course of this study, these interrelationships were correlated to the function of the integument of hairless marine mammals as segregating layer and interphasis between the organism and its environment, and, in particular, as barrier against biofouling organisms. The morphological results obtained during this investigation showed that the surface of the pilot whale skin exhibited negligibly low concentrations of epibiontic organisms. The smooth skin surface displaying the lateral roughness of less than approximately 30 nm was covered by a film of alternating hydrophilic and hydrophobic sectors ranging from approximately 0.1 to 200 µm in diameter. The texture of the skin surface was dominated by honeycomb-like pores formed by remnants of desmosomal junctions. The pores (ranging from 0.1 to 1.2 µm2) were filled by a gel smoothing the skin surface. The results of the biochemical and histochemical studies showed that glycoconjugate-rich and proteinaceous aggregates accumulated in the intercellular spaces of the stratum corneum. Aggregates including multiplies of fractions of 20-30 kD glycoproteins were, in addition, covalently cross-linked by thiol-groups, indicating the agglomeration of the intercellular components. Employing photoelectron-spectroscopical analyses, the skin surface and the intercellular gel displayed free amino groups and esters of lipids and aminoacids. In addition, the results obtained clearly demonstrated that the chemistry of the skin surface was considerably based on the specific components of the gel filling the pore reliefs of intercellular spaces. Rheological experiments were designed applying periodic-harmonic oscillating loads to the fluidal intercellular components extracted from the stratum corneum of the pilot whale by mild centrifugation. The results of the rheological experiments showed that the fluid transformed from sol to viscoelastic jelly solid. In the mechanical spectrum of the gel, the plateau region of the storage modulus G´ (< 1200 Pa) and the loss modulus G´´ (> 120 Pa) were independent from frequency ranging from w = 43.98 to 0.13 rad·s-1 (shear stress t = 15 Pa, temperature T = 20°C), indicating high elastic performance of a covalently cross-linked viscoelastic gel. Concerning the chemical cross-linked agglomeration and the high resistance against shear stress, the gel of the pilot whale contrasted to the soft mucilaginous biofilms known from the biofouling process. Based on the formation of the gel within the intercellular spaces of the stratum corneum, the continuous natural desquamation process regenerates the smooth skin surface with low lateral roughness of approximately 30 nm. As concluded from the higher shear resistance the gel smoothing the skin surface cannot be substituted by mucus. Since the skin surface exhibits only few contact areas and microniches, which biofoulers might adhere to or hide in, settlements of fouling organisms is prevented by contacts to liquid-air interfaces of air-bubbles or high shear water flow during the dolphin jumping and thus, biofoulers are successfully removed from the skin surface.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-3437
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/738
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-441
Exam Date: 8-Jul-2002
Issue Date: 15-Jan-2003
Date Available: 15-Jan-2003
DDC Class: 660 Chemische Verfahrenstechnik
Subject(s): Globicephala melas
Pilotwal
Haut
Selbstreinigung
Gel
Globicephala melas
pilot whale
skin
self-cleaning abilities
gel
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