Vögel auf der Flucht: was macht Strauße so schnell? Understand article

Übersetzt von Julia Heymann. Was macht Strauße zu solch schnellen Läufern? Nina Schaller hat fast ein ganzes Jahrzehnt damit zugebracht, genau das zu untersuchen.

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von John Carnemolla /
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Während wir eine emporschießende Möwe oder einen tauchenden Pinguin bewundern, denken wir kaum daran, dass diese gefiederten Tiere etwas sehr Seltenes mit uns gemeinsam haben: Während die meisten anderen Tiere sich auf vier, sechs oder mehr Beinen fortbewegen, sind Vögel und Menschen die einzig wahren Zweibeiner.

Die Schwierigkeit, auf zwei Beinen zu gehen, hat die Evolution auf zwei Arten gelöst: Während Menschen plantigrad, also Sohlengänger, sind (wir treten beim Gehen oder Laufen mit dem ganzen Fuß auf), sind Vögel Zehengänger, oder digitigrad (v. lat. digitus “Zehe”, sie setzen nur die Zehen auf).

Nina und Tiffy, eine ihrer
ausgewachsenen
Mitarbeiterinnen

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von Gisela Löffler von Bild der
Wissenschaft

Manche Vogelarten sind nicht nur schnellere Läufer als wir Menschen, sondern können sogar schneller rennen als ihre flugfähigen Artgenossen fliegen. Der schnellste Langstreckenläufer ist der afrikanische Strauß (Struthio camelus). Bei gleichmäßigen 60 Stundenkilometern und Spitzengeschwindigkeiten von über 70 km/h würde er die 42 Kilometer des olympischen Marathons in 40 Minuten schaffen, anstatt in den zwei Stunden, die ein Mensch dafür braucht. Diese außergewöhnliche Kombination von Schnelligkeit und Ausdauer erlaubt es dem Strauß, große Distanzen zu überwinden, um frische Weidegründe zu erreichen oder hungrige Hyänen abzuhängen.

Wissenschaftler beschäftigen sich schon seit langem mit den Herausforderungen der terrestrischen Fortbewegung, besonders mit dem Laufvermögen von Hunden und Rennpferden. Doch Studien über den Bewegungsapparat der Vögel untersuchen üblicherweise die Flugdynamik und schenken den aufs Rennen spezialisierten Laufvögeln weniger Beachtung.

10 Wochen alte
Straußenküken in ihrem
neuen Zuhause

Mit freundlicher Genehmigung
von Jürgen Gass

Nachdem ich 2002 mein Biologiestudium abschloss, arbeitete ich ehrenamtlich im Frankfurter Zoo. Dort war ich fasziniert von der Leistungsfähigkeit der Strauße beim Rennen und beschloss, sie zu erforschen. Die Hypothese meiner Doktorarbeit war, dass der Bewegungsapparat der Strauße mit einem hohen Grad an Effizienz Energie auf den Boden überträgt und damit die Arbeitsleistung (Schnelligkeit und Ausdauer) maximiert und den Energieaufwand (Muskel- und Stoffwechselarbeit) minimiert.

Um meine Idee zu testen, beschloss ich sowohl Form als auch Funktion des Bewegungsapparates der Strauße zu untersuchen. Durch sezieren erforschte ich ihre Anatomie, während ich nach spezialisierten Strukturen der Gliedmaßen suchte, die den Stoffwechselaufwand der Fortbewegung vermindern könnten. Gleichzeitig studierte ich die Biomechanik lebender Strauße: wie wirkten die physikalischen Kräfte auf ihre Anatomie ein, während sie liefen?

Um natürliche Bewegungsabläufe genau beobachten zu können, zog ich in einer großen Außenanlage drei Strauße mit der Hand auf und gewöhnte sie über vier Jahre hinweg an mich und ihre experimentelle Rennbahn. Gegenseitiges Vertrauen war entscheidend: der Tritt eines Straußes kann einen Löwen umbringen.

Schnelligkeit maximieren durch lange und leichte Beine

Bei einem laufenden Tier werden höhere Geschwindigkeiten durch heraufsetzen sowohl der Länge als auch der Frequenz der Schritte erreicht. Längere Beine können weiter ausschwenken, und wenn die Muskelmasse des Beins proximal (nah am Körper) gelegen ist, kann es schneller schwingen, etwa so wie wenn man das verstellbare Gewicht eines Metronoms näher zum Gelenk schiebt und damit das Tempo erhöht.

Abbildung 1: Verhältnisse der Beinsegmentlängen; n gibt die Anzahl der untersuchten Proben an.
Beweglicher Teil des Beins:
Oberschenkelknochen (waagerecht gehalten): dunkelblau
Schienbeinknochen: hellblau
Tarsometatarsus: hellorange
Hauptzeh: dunkelorange.
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Mit freundlicher Genehmigung von Nina Schaller
Nandu, Rhea americana
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Darwin-Nandu, Pterocnemia pennata
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Emu, Dromaius novaehollandiae
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Helmkasuar, Casuarius casuarius
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Kiwi, Apteryx mantelli
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Wegekuckuck, Geococcyx californianus
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Füße des Helmkasuars
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Um dieses Prinzip zu untersuchen, verglich ich die Beinsegmentlänge (Abbildung 1) und Muskelmasseverteilung schnell laufender Bodenvogelarten. Von allen Laufvögeln besitzt der Strauß in Relation zu seiner Größe die längsten Beine und hat während des Laufens die größte Schrittlänge: 5 m. Zusätzlich liegt bei ihm, in höherem Ausmaß als bei anderen Vogelarten, der Großteil seiner Beinmuskulatur sehr hoch an Oberschenkelknochen und Hüfte während die unteren, schwingenden Elemente seines Beins vergleichsweise leicht sind und von langen, gewichtsreduzierenden Sehnen bewegt werden (Abbildung 2). Dieser Aufbau optimiert das Straußenbein für die Fortbewegung mit Hochgeschwindigkeit und verleiht ihm sowohl eine große Schrittlänge als auch eine hohe Schrittfrequenz.

Abbildung 2: Vergleichende Anatomie der Beine von Mensch und Strauß: Bei Vögeln ist der Tarsometatarsus, der Knochen zwischen Knöchel und Zehen, viel länger als beim Menschen und entspricht unserem aufrecht stehenden Schienbein. Das Knöchelgelenk der Vögel befindet sich auf Höhe unserer Knie, was erklärt warum Vögel ihr Knie scheinbar “rückwärts” beugen. Ihr eigentliches Kniegelenk ist, verborgen unter dem Gefieder, ständig gebeugt und mit dem Hüftknochen durch einen kurzen, waagerechten Oberschenkelknochen verbunden. Rote Linien verbinden anatomisch gleiche, grüne Linien funktional gleiche Gelenke.
Beim Strauß konzentriert sich die Muskelmasse oben am Bein, während in den unteren Regionen lange Sehnen überwiegen. Schattierte Bereiche kennzeichnen die hauptsächliche Verteilung der Muskelmasse, blaue Linien zeigen die Lage der wichtigen Sehnen an. Zum Vergrößern auf das Bild klicken

Mit freundlicher Genehmigung von Nina Schaller
Abbildung 3: Das Experiment
zeigt die Fähigkeit der
Bänder am Knöchelgelenk,
Gewicht von oben passiv zu
stützen (nur die linke Seite
des Beins ist abgebildet). Das
Knöchelgelenk besitzt scharf
umrissene Knochenfortsätze
(in grün) auf jeder Seite.

Wenn das Gelenk voll
gestreckt ist (168°), sind die
Bänder auf beiden Seiten (in
rot) gespannt, weil sie über
diesen Vorsprung laufen und
dadurch das Gelenk
stabilisieren.

Wenn der Strauß seine Zehen
vom Boden hebt, ist der
Knöchel um weniger als 140°
gebeugt und die Bänder (in
orange) können frei um die
Fortsätze herum gleiten: der
Stabilisierungsmechanismus
ist entspannt. Zum
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Mit freundlicher Genehmigung
von Nina Schaller

Ausdauer maximieren durch stabile Gelenke

Der große Bewegungsumfang seiner Gelenke erlaubt es dem Menschen, Bäume hochzuklettern oder Ballet zu tanzen, doch diese Flexibilität hat ihren Preis. Wenn wir laufen, wird die Muskelkraft zum Vortrieb genutzt, aber auch dazu, Seitwärtsbewegungen der Gelenke zu vermeiden. So erhöht sich unser Energiebedarf über eine bestimmte Entfernung. Ich vermutete, dass Strauße einen effizienteren Ansatz verfolgten.

Anders als Energie verbrauchende Muskeln und ihre Sehnen, können Bänder als eine Art „Gelenkkorsett“ fungieren und Seitwärtsbewegungen einschränken, ohne Energie zu verbrauchen. Um zu demonstrieren, dass dieser Mechanismus vorhanden war, filmte ich meine laufenden Strauße aus verschiedenen Winkeln, um den Bewegungsumfang ihrer Beine festzuhalten. Dann wiederholte ich die Messungen mit einem intakten, toten Strauß und schließlich mit einem sezierten Strauß, bei dem alle Muskeln und Sehnen entfernt worden waren so dass nur das Skelett und die Gelenkbänder übrig waren. Der seitliche Bewegungsumfang von lebenden und toten Straußexemplaren war nahezu identisch. Bei Menschen dagegen wäre beim selben Vergleich ein riesiger Unterschied im Bewegungsumfang nach seitwärts zu erkennen, besonders am Hüftknochen, der durch Muskeleinwirkung stabilisiert wird. Meine Messungen zeigten, dass Bänder die Hauptelemente sind, die ein Straußenbein durch den Schritt führen, wodurch die Muskelkraft fast ausschließlich für den Vortrieb genutzt wird.

Beim Bearbeiten der präparierten Straußenbeine machte ich eine weitere neue Entdeckung. Beim Versuch, den Knöchel zu beugen, musste ich einigen Widerstand überwinden – eine unerwartete Erkenntnis bei einer leblosen Gliedmaße frei von Muskeln. Als ich das Gelenk freigab, schnappte es zurück in eine ausgestreckte Stellung, was darauf deutete, dass die Bänder auf passive Art das Bein des Vogels ausgestreckt halten. Um diese Theorie zu testen, übte ich von oben Druck auf das aufgestellte, präparierte Bein aus, bis der Knöchel in eine gebeugte Position knickte (Abbildung 3). Es waren 14 kg nach unten gerichtete Kraft nötig – 28 kg Gewicht, die ein auf zwei Beinen stehender Strauß beim Gehen oder Laufen nicht einmal aktiv stützen müsste. Dieses Experiment bewies, dass das Sparen metabolischer Energie durch die Verwendung von Bändern als Mechanismus zur passiven Beinstabilisierung eine ausgezeichnete Strategie für Bewegungsausdauer ist.

Bodenkontakt herstellen

Abbildung 4: Rechter “Fuß”
eines Straußes. Von links
nach rechts: normale
stehende Position mit
seitlichem kleinerem
„Stütz“-Zeh; Zehenskelett
(rote Pfeile zeigen das
erhöhte Zehengelenk an); der
„Fuß“ von oben betrachtet;
der „Fuß“ von unten
betrachtet. Distal = vom
Körper antfernt; proximal =
dem Körper nah. Zum
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Mit freundlicher Genehmigung
von Nina Schaller

Wir hatten beobachtet, dass leichte Gliedmaßen eine Voraussetzung für schnelle, effiziente Fortbewegung sind und dass eine Art, auf die der Strauß diese erreicht, die Konzentration der Beinmuskelmasse nah an der Hüfte ist. Eine weitere Strategie, Masse am unteren Bein zu reduzieren, beinhaltet die spezialisierte Morphologie und Positionierung der Zehen. Das kann man auch bei anderen Lauftieren beobachten; neuzeitliche Pferde zum Beispiel entwickelten sich von ihren fünfzehigen Vorfahren dazu weiter, auf dem Zehennagel ihres mittleren Zehs zu galoppieren – dem Huf. Der Strauß hat eine ähnliche Evolution durchlaufen: während die meisten Vögel vier Zehen haben und die Mehrheit der großen flugunfähigen Vögel nur drei davon besitzt, ist der auf nur zwei Zehen laufende Strauß einzigartig (Abbildung 1). Darüber hinaus ist er der einzige, der auf Zehenspitzen geht.

Ich fragte mich, wie der größte und schwerste lebende Vogel es schafft, bei Höchstgeschwindigkeit auf Zehenspitzen Balance und Bodenhaftung zu behalten. Da es keine etablierte Methode gibt um die Zehenfunktion bei Vögeln zu untersuchen, verwendete ich eine Druckplatte, die oft von Orthopäden benutzt wird um die Druckverteilung bei Menschenfüßen zu bestimmen. Ich brachte meinen Straußen bei, über die Platte zu gehen und zu laufen während ich hochauflösende Echtzeitdaten des Straußen-„Fußdrucks“ während des Bodenkontakts erfasste. Dies ergab, dass der große Zeh den Großteil des Körpergewichts trägt, während der kleine Zeh als Stütze fungiert und verhindert, dass der Strauß das Gleichgewicht verliert; und das vor allem beim langsamen Gehen.

Abbildung 5:
Druckverteilungsprofil eines
rechten Straußen-”Fußes”,
aufgezeichnet mit Hilfe einer
Druckplatte. Rote Bereiche
kennzeichnen sehr hohe
Belastung; dunkelblaue
zeigen geringe Belastung an.
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Mit freundlicher Genehmigung
von Nina Schaller

Bei hohen Geschwindigkeiten dämpfen die weichen Zehensohlen den Aufpralldruck und die federnde Haltung auf den Zehenspitzen wirkt als zusätzlicher Stoßdämpfer (rote Pfeile in Abbildung 4). Die Klaue berührt beim Gehen kaum den Boden, übt aber Drücke von bis zu 40 kg/cm² aus, wenn der Vogel rennt. Die Klaue gräbt sich in den Boden wie ein gehämmerter Nagel, um bei 70 km/h verlässlich Bodenhaftung zu gewährleisten – maximale Geschwindigkeit durch minimale Energie, ideal für ausdauerndes Laufen auf dem ebenen Untergrund der afrikanischen Savanne (Abbildung 5).

Praktische Anwendung

Meine Forschung hat einen langen Weg hinter sich was den Versuch angeht, unser Verständnis davon zu verbessern, wie Strauße so lange so schnell laufen. Jetzt, wo wir die biomechanischen Strategien verstehen, die über 60 Millionen Jahre Evolution perfektioniert wurden, können wir sie vielleicht für moderne Technologien anwenden wie zum Beispiel in der Robotik, für Aufhängungssysteme und bei der Entwicklung von Gelenkstabilisierungen. Einige meiner Ergebnisse haben bereits Entwickler von „intelligenten“ menschlichen Prothesen dazu inspiriert, Merkmale von Straußenbeinen und –zehen zu übertragen, die dann Amputierten eine größere Funktionspalette und höhere Beweglichkeit ermöglichen könnten.

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Resources

Author(s)

Nach dem Abschluss ihres Biologiestudiums an der Universität Heidelberg arbeitete Nina Schaller ehrenamtlich im Frankfurter Zoo, wo ein außergewöhnlich freundlicher Strauß ihr Interesse an diesen einzigartigen terrestrischen Wirbeltieren weckte. Während de letzten neun Jahren untersuchte sie die unvergleichlichen Lauffähigkeiten des größten lebenden Vogels. Sie zog Strauße mit der Hand auf und kooperierte mit Universitäten und Forschungsinstituten in Antwerpen/Belgien, Wien/Österreich, Frankfurt, München und Toronto/Kanada. Ninas interdisziplinärer Ansatz führte zur Entdeckung von Energieminimierungsstrategien, die erklären, wie Strauße das Leben auf der Überholspur meistern.


Review

Das überraschende wie offensichtliche Statement, dass „Vögel und Menschen die einzig wahren Zweibeiner“ sind, erläutert die Bedeutung der Forschung, die Nina Schaller seit fast einem Jahrzehnt betreibt. Sie zeichnet das Bild eines multidisziplinären Ansatzes zu einem komplexen Phänomen – die außerordentliche Schnelligkeit und Ausdauer des Straußes – und untersucht die Biomechanik und Effizienz der Fähigkeiten dieses Vogels mit Methoden der Anatomie (Sektion) und Physiologie (funktionelle Studie). Die aufgeführten Quellen bieten zusätzlich eine Vielfalt an Informationen und Lehrmaterial über die Straußen- und die menschliche Fortbewegung.

Der Artikel kann ein interessantes und nützliches Mittel sein, Themen der Biologie (Biomechanik – Knochen, Muskeln, Sehnen und Bänder; Evolution – Homologie und Analogie) und der Physik (Effizienz, Kräfte, Geschwindigkeit, Federn und Bewegung) in sowohl unterer als auch oberer Sekundarstufe zu vermitteln. Beispielsweise könnte er dazu dienen, die Biomechanik des Gehens und Laufens verschiedener Spezies zu erschließen, sowie die Evolution zweibeiniger Fortbewegung bei Vögeln und Menschen und die funktionalen Aspekte von Prothesen der unteren Gliedmaßen (zum Beispiel wie vom Sprinter Oscar Pistorius verwendet). Er kann weiterhin wertvolle Hintergrundinformationen vor einem Besuch im Naturkundemuseum, einem Zoo oder einem Robotiklabor liefern.

Mögliche geeignete Verständnisfragen:

  1. Die Hypothese von Nina Schallers Forschung war, dass der Bewegungsapparat eines Straußes:
    1. den energetischen Output und den Energiebedarf maximiert
    2. den energetischen Output minimiert und den Energiebedarf maximiert
    3. den energetischen Output maximiert und den Energiebedarf minimiert
    4. Straußenbeine haben.
  2. Straußenbeine haben
    1. hoch am Oberschenkelknochen ansetzende Muskulatur und kurze Sehnen
    2. hoch am Oberschenkelknochen ansetzende Muskulatur und lange Sehnen
    3. tief am Oberschenkelknochen ansetzende Muskulatur und kurze Sehnen
    4. tief am Oberschenkelknochen ansetzende Muskulatur und lange Sehnen.

Giulia Realdon, Italien




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