Wie fliegen Vögel – eine Demonstration zum Mitmachen Teach article

Übersetzt von Daniel Busch. Präparieren Sie ein Huhn aus dem Supermarkt und entdecken Sie das ungewöhnliche Flaschenzugsystem, das es Vögeln erlaubt, zu fliegen.

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Viele Biologen sind in der Lage ein Tier anzusehen, egal ob tot oder lebendig, und zu lernen, wie es funktioniert. In den vergangenen Jahrzehnten wurde diese Fähigkeit durch die Präparation von Ratten, Fröschen und Regenwürmern entwickelt.

Heutzutage haben Lernende berechtigte Vorbehalte und fragen sich, ob es überhaupt richtig ist, Tiere zu töten, nur um sie dann auseinanderzunehmen und zu studieren. Immer weniger Präparationen werden an Schulen durchgeführt und immer seltener wird mit ganzen Tieren gearbeitet – stattdessen werden einzelne Organe wie das Herz verwendet. Gleichzeitig wird Fleisch immer starker vorbereitet und verpackt, um die Handhabung und Vorbereitung beim Kochen zu verringern. Viele Kinder wachsen auf, ohne ihren Eltern bei der Zubereitung von Fleisch zuzuschauen, von der Verarbeitung ganzer Hähnchen, Hasen oder anderer Tiere ganz zu schweigen. Folglich gehen heute Schülerinnen und Schüler mit deutlich weniger Erfahrung, dafür mit einer deutlich höheren Zimperlichkeit als je zuvor an eine Präpartation heran.

Nichtsdestotrotz ist dasjenige Landwirbeltier, das am häufigsten in einem nahezu vollständigen Zustand als Nahrung verkauft wird, das Huhn, und es ist das Nutztier, das den Lernenden am ehesten bekannt ist. Auch ohne seine inneren Organe bietet das Huhn eine exzellente Einführung in die Präparation.

Die Flugmuskulatur der Vögel

Der Vogelflug hat den Menschen schon immer fasziniert. Unsere Armen haben einen identischen Knochensatz und wir teilen viele Muskeln mit den Vögeln, aber dennoch können wir unsere Arme nur wedeln und uns vorstellen, wir könnten fliegen. Schon Leonardo da Vinci war von der Möglichkeit des menschlichen Fliegens auf mechanischer Basis fasziniert und studierte sein Leben lang den Vogelflug und die mechanischen Prozesse des menschlichen Körpers. Er fertigte zahlreiche beschriftete Skizzen von menschlichen Schultern und Armen, sowie von deren Befestigung am Torso an. Als er jedoch die Struktur eines Vogelflügels studierte, zeichnete er es nur bis zum Schultergelenk. Ohne eine Untersuchung der Verbindung des Flügels zu den Muskeln, die ihn schlagen lassen, scheint er genau dort zu forschen aufgehört zu haben, wo es interessant wurde.

Das Hauptziel dieser Aktivität ist das Zeigen der beiden Hauptmuskeln des Flügelschlagmechanismus von Vögeln und der Demonstration ihrer Funktion. Es ist vielleicht etwas überraschend, dass die meisten Menschen sich keine Vorstellung über die Verbindung der Struktur von Chicken Wings und den Muskeln machen, die sie schlagen lassen, obwohl sie außer Vegetariern allen bekannt sind. Wahrscheinlich liegt es aber daran, dass Chicken Wings und Hühnerbrust oft separat voneinander verzehrt werden. Ein weiteres Ziel der Aktivität ist es, die Lernenden mit dem Prozess und dem wissenschaftlichen Wert von Präparationen vertraut zu machen – damit, dass Präparationen für das Funktionsverständnis von Lebewesen unerlässlich sind.

Die Aktivität könnte im Biologieunterricht zum Vogelflug oder zur tierischen Bewegung allgemein verwendet werden, oder aber im Physikunterricht zum Thema Kräfte. Es könnte ebensogut eine Unterrichtseinheit zur Evolution bereichern – durch die Ähnlichkeit des Vogelflügelns zu unseren Armen als Modellorganismus zur Untersuchung, wie sich die menschlichen Extremitäten entwickelt habenw1.

Je nach Alter und Fähigkeit der Lernenden kann der Lehrer die Präparation entweder selber vorführen, oder die Lernenden ermutigen, sie selber durchzuführen.

Materialien

  • Ein gerupftes Huhn
  • Ein scharfes Messer oder Skalpell
  • Ein Grillspieß aus Metall oder Bambus
  • Handschuhe

Je vollständiger das Huhn, desto spannender wird auch die Demonstration. In einigen europäischen Ländern sind intakte, gerupfte Hühner mit Kopf, Hals, Füßen und inneren Organen im Supermarkt erhältlich. Lehrer können die Demonstration dadurch auf weitere Organsysteme ausweiten. Alternativ ist ein eingeschweißtes Supermarkthähnchen ohne Füße, Hals und Innereien, wie es in Großbritannien verkauft wird absolut angemessen für die hier beschriebene Demonstration. Lehrer sollten sich wenn möglich für den Kauf von Bio- bzw. Freilandhühnern entscheiden.

Sicherheitshinweis

Salmonellen und Listerien, die auf rohem Geflügel sowie auf den scharfen Messern oder Skalpellen zu finden sind. Lehrer sollten den lokalen Sicherheitsregularien folgen. Zur Risikoreduzierung sollten Einmalhandschuhe getragen werden, sie ersetzen jedoch nicht das gründliche Händewaschen nach der Aktivität. Beachten Sie bitte auch die  allgemeinen Sicherheitshinweise.

Methode

  1. Identifizieren sie vor Beginn der Präparation die Homologien (Ähnlichkeiten, die auf der Abstammung eines gemeinsamen Vorfahrens basieren) zwischen dem Flügeln des Hühnchens und dem menschlichen Arm.Die Lernenden werden die Ähnlichkeiten zwischen den Eigenschaften beim Menschen – dem einzelnen Oberarmknochen (Humerus), den Ellenbogen, die beiden Unterarmknochen (Elle und Speiche), das mehrknochige Handgelenk und die Hand mit Daumen – und deren Gegenstücke beim Hähnchen erkennen (Abbildung 1)
Abbildung 1: Diagramm der Skelettstruktur (gelb/orange) und der Muskulatur (pink/rot) eines Vogelflügels. A: Coracoid (Rabenbein); B: Oberarmknochen; C: Speiche; D: Elle; E: Schlüsselbein; F: kleiner Brustmuskel; G: großer Brustmuskel; H: Kiel des Brustbeins
L Shyamal / Wikimedia Commons
 
  1. Breiten Sie den Flügel aus, indem Sie einen Bratenspieß einführen (Abbildung 2). Dies halt die Anordnung der Flügelknochen annähernd so, wie sie während des Flugs vorliegt. Wir haben außerdem eine Feder am Spieß angebracht, um die Spannweite des Huhns zu zeigen.
    Erklären Sie den Lernenden, dass beim Menschen die Muskeln, die die Arme abwärtsgerichtet bewegen die Brustmuskulatur (Pectoralis) ist, während die Muskeln für die aufwärtsgerichtete Bewegung im Rücken verankert sind. Bei einem Vogel liegen beide Muskeln im Brustbereich. Die Muskeln können sehr leicht identifiziert, sogar in Hühnerbrustfilets aus dem Supermarkt – der abwärtsgerichtete Muskel ist der deutlich größere Große Brustmuskel auf der Außenseite, während der Kleine Brustmuskel auf der Innenseite für die aufwärtsgerichtete Bewegung verantwortlich ist (Abbildung 3). Dieser kleinere Muskel wird in Großbritannien oft als Mini-Filet oder in Frankreich als ‘aiguillete’ verkauft (Abbildung 4). Das antagonistische Verhalten dieser beiden Muskeln (ein Muskel tritt der Aktion des anderen Muskels entgegen) wird später noch gezeigt.
Abbildung 2: Der Flügel wird mit einem Bratenspieß auf Bambus ausgebreitet.
Edmond Hui
Abbildung 3: Eine Hühnerbrust besteht aus dem Großen Brustmuskel (P) und dem Kleinen Brustmuskel (S).
Edmond Hui
Abbildung 4: Der Kleine Brustmuskel (S) ist am Großen Brustmuskel (P) angebracht.
Edmond Hui
  1. Entfernen Sie die Haut von der Hühnerbrust (Abbildung 5). Identifizieren Sie den linken Großen Brustmuskel (dies ist einfacher, wenn der Präparator Rechtshänder ist). Beachten Sie, dass er nicht nur am Kiel des Brustbeins aufgehängt ist, sondern auch dorsal an einem Teil der Rippenstruktur und anterior am Schlüsselbein (Abbildung 1)..
  1. Trennen Sie mithilfe des Messers vorsichtig den Großen Brustmuskel von Brustbeim, Rippen und Schlüsselbein; arbeiten Sie vor allem am vorderen Ende äußerst vorsichtig (Abbildung 6). Belassen Sie den Muskel jedoch am Oberarmknochen verbunden. Beachten Sie, das sein Zug am Großen Brustmuskel eine abwärtsgerichtete Bewegung zur Folge hat.
Abbildung 5: Die Haut wird vom linken Großen Brustmuskel (P) entfernt. A: von vorne; D:rückenseitig; P: von hinten V: bauchseitig
Edmond Hui
Abbildung 6: Der Große Brustmuskel (P) wird vom Brustbein getrennt und seitlich wegbewegt um den Kleinen Brustmuskel (S) darunter freizulegen.
Edmond Hui
  1. Klappen Sie den Großen Brustmuskel um (Abbildung 7) und trennen Sie den Kleinen Brustmuskel vom Brustbein (Abbildung 8), beachten Sie dabei, dass er in einer Sehne endet, die vorne unter dem Rabenbein verschwindet (Abbildung 9). Erklären Sie den Schülerinnen und Schülern, dass diese Sehne dorsal in den Oberschenkelknochen eingebettet ist, nachdem sie um einen ‘Flaschenzug’, genauer gesagt um den gebogenen Kanal des Rabenbeins, gewickelt wurde
Abbildung 7: Der große Brustmuskel (P) wird umgeklappt, um den Kleinen Brustmuskel freizulegen (S).
Edmond Hui
Abbildung 8: Der Große Brustmuskel (P) und der Kleine Brustmuskel (S), welcher vom Brustbein getrennt wird
Edmond Hui
Abbildung 9: Die Sehne des kleinen Brustmuskels (T) verschwindet unterhalb des Rabenbeins (B). S: Kleiner Brustmuskel
Edmond Hui
  1. Halten Sie den großen Brustmuskel in der linken Hand und den Kleinen Brustmuskel in der rechten Hand (Abbildung 10). Drücken Sie das Huhn mit dem rechten Handballen auf den Tisch. Ziehen Sie den Großen Brustmuskel in Richtung Bauch und beachten Sie, dass sich der Flügel abwärts bewegt. Ziehen Sie den Kleinen Brustmuskel in Richtung Rücken und betrachten Sie die aufwärtsgerichtete Bewegung des Flügels (Abbildung 11). Mit etwas Übung kann abwechselnd und rhythmisch an den Muskeln gezogen und eine fortwährende Flügelschlagbewegung erzeugt werden (s. Video unten).

 

Abbildung 10: Der Flügel ist bereit in eine abwärtsgerichtete Bewegung gezogen zu werden.
Edmond Hui, Faye Blackshaw, Alma Talbot
Abbildung 11: Der Zug am Großen Brustmuskel in Richtung Bauch führt zu einer abwärtsgerichteten Bewegung.
Edmond Hui, Faye Blackshaw, Alma Talbot
 

Schülerinnen und Schüler sollten die Möglichkeit bekommen, dies selber auszuprobieren – indem sie den Großen und Kleinen Brustmuskel ziehen, wird ihnen bewusst, welche Kraft für den Flügelschlag während des Flugs notwendig ist. Es ist bemerkenswert, dass die Muskeln, die den Flügel aufwärts und abwärts bewegen beide unterhalb des Flügels angebracht sind. Dies widerspricht der Intuition, weil die Muskeln für die Aufwärtsbewegung beim Menschen am Rücken und nicht an der Brust angebracht sind.

Vertiefungsmöglichkeit

Die Präparation kann je nach Vollständigkeit des Huhns auf andere Teile des Huhns ausgeweitet werden. Zum Beispiel:

  • Entfernen Sie den Großen Brustmuskel vollständig und verfolgen Sie den Weg der Sehne des Kleinen Brustmuskels auf seiner gesamten Länge um das Schultergelenk herum. Zeigen Sie dabei den Flaschenzug bzw. Kanal in dem sie verläuft (Abbildung 12).
Abbildung 12: Das Schultergelenk ist auseinandergenommen und der Flügel (W) ist in der vollen aufwärtsgerichteten Position. Die Sehne des Kleinen Brustmuskels ist deutlich sichtbar und ist nun die einzige Verbindung zwischen Flügel und Körper. Dert Kanal des ‘Flaschenzugs’ kann oberhalb und links der Sehne gesehen werden. S: Kleiner Brustmuskel
Edmond Hui
 
  • Entfernen Sie den Großen und Kleinen Brustmuskel und wiegen Sie sie einzeln. Das Verhältnis ihres Gewichts, was bei den moisten Vögeln etwa 5:1 beträgt (Biewener, 2011), erlaubt eine Einschätzung der relative Kraft, die aufgewendet werden muss, um den Flügel nach unten und oben zu bewegen. Der Große Brustmuskel unseres Versuchstiers wog 200 g, und der Kleine Brustmuskel 45 g, was ein Verhältnis von 4,44:1 entsprach.

    Man würde erwarten, dass das Verhältnis den Fluggewohnheiten der jeweiligen Spezies entspricht, wobei untypische Vögel, die, wie z.B. Kolibris, besonderen Auftrieb mit aufwärtsgerichteten Bewegungen generieren, kleinere Verhältnisse aufweisen, während Vögel wie Wasservögel, die schneller und weiter fliegen, aerodynamische Kräfte verwenden, um die aufwärtsgerichtete Bewegung zu unterstützen und somit ein größeres Verhältnis zeigen.

    Machen Sie deutlich, dass um den Kleinen Brustmuskel eine durchgängige Versieglung vorliegt. Er liegt in einer Vertiefung, die vollständig vom Großen Brustmuskel und dem Brustbeim umschlossen wird. Normalerweise liegen antagonistische Muskeln an gegenüberliegenden Seiten des Gelenks auf das sie wirken. Die Anordnung beider Muskeln auf einer Seite, wie sie bei den Vögeln vorliegt, mit einem Muskel vollständig um den Antagonist gewickelt und diesen einschließend, ist sehr ungewöhnlich. Es wäre spannend herauszufinden, ob diese Morphologie noch an anderer Stelle im Tierreich vorkommt.
     

  • Falls das Huhn intakte Beine hat, kann die gleiche Art von Untersuchung auf Muskeln und Sehnen im Bein übertragen werden. Es kann gezeigt warden, wie der Fuß und die Krallen angespannt und entspannt warden (Abbildung 13). Weisen Sie unbedingt auf die bemerkenswerte Glattheit und Gleitfähigkeit der Gelenkknorpel hin und machen Sie deutlich, wie wichtig es ist, in diesen Gelenken die Reibung zu reduzieren.
Abbildung 13: Untersuchung der Beinmuskulatur
Edmond Hui

Zusammenfassung

Diese Demonstration stellt die Möglichkeit dar, drei Ziele mit einem Vogel zu erreichen

  1. Die Verwendung eines Supermarkthuhns verringert einige der logistischen, kulturellen und psychologischen Probleme die zu einem Rückgang von Präparationen in der Schüle führen, liefert aber gleichzeitig echte anatomische Informationen.
  2. Nur durch das Ziehen am Brustmuskel des Huhns können Schülerinnen und Schüler das Verhalten von antagonistischen Muskeln sehen, die Gliedmaßen zusammenziehen und ausstrecken, was wiederum Teil von vielen Standardcurricula des Biologieunterrichts ist.
  3. Der Versuch, Antworten auf Fragen wie “Wie schlägt ein Huhn mit seinen Flügeln”, oder “Welche Rolle hat die Hühnerbrust”, zu finden erlaubt es den Lernenden, den möglicherweise am schwierigsten zu unterrichtenden Teil der Naturwissenschaft zu erleben – den Akt des Entdeckens. Sie werden mit ziemlicher Sicherheit überrascht sein zu entdecken, dass die Hühnerbrust, die sie essen, für den Flügelschlag von Vögeln verantwortlich ist, aber auch, dass sie diesen Vorgang selber demonstrieren können.

References

Web References

Resources

Author(s)

Edmond Hui ist ein ausgebildeter Meeresbiologe und der Netzwerkmanager an der Teddington School in Großbritannien. Sein  letzer Artikel für Science in School über eine neue Demonstration des Herzschlags bei Säugetieren (Hui & Taplin, 2013) wurde von TED.com in eine animierte Unterrichtsstunde umgewandelt. Faye Blackshaw und Alma Talbot sind begeisterte 13-Jährige Mitglieder des Teddington School STEM Clubs.


Review

Dieser Artikel über die Anatomie und Physiologie von Vogelflügeln und wie sie funktionieren ist eine wunderbare Möglichkeit, frühen Naturkundeunterricht zu bereichern. Junge Lernende sind gewillt zu entdecken und kommen zu eigenen Schlüssen; die Präparation eines Huhns ist dafür perfekt geeignet.

Der praktische Ansatz wird das Lernen und das Gedächtnis der Lernenden anheizen, ganz im Gegensatz zum Lernen mit anatomischen Zeichnungen aus Lehrbüchern. Der Vergleich des Vogelbaus mit unserer eigenen Anatomie birgt Spaß und führt zu Spekulationen über die Frage, warum Menschen eben nicht fliegen können. Lernende aller Altersstufen können beschriftete Skizzen der Vogelanatomie anfertigen – ähnlich wie es da Vinci tat, allerdings diesmal mit Schulter! Ältere Schülerinnen und Schüler können mithilfe anatomischer Karten verschiedener Vögel tiefer in die Physiologie der Flügelbewegung eintauchen – hier bieten sich insbesondere die flugunfähigen Vögel an.

Wenn die Präparation in einer Schulküche oder in Fachräumen der Arbeitslehre statt im Biologiefachraum durchgeführt wird, kann das Huhn im Anschluss gekocht und gegessen werden. Dies beleuchtet das Wissen, das erlangt werden kann, wenn man aufmerksam durchs Leben geht. Lernende, die Fleisch essen, verzehren wahrscheinlich regelmäßig Hähnchenbrust, aber es ist sehr unwahrscheinlich, dass sie sich jemals Gedanken über die Funktion der Muskeln gemacht haben, die sie gerade verzehren. Seien Sie aber auf die Frage vorbereitet, wie das Huhn den getötet worden sei, die möglicherweise insbesondere von vegetarischen Schülerinnen oder Schülern kommen wird. Legen Sie Wert auf eine professionelle Präparation, um Respekt vor dem Tier zu zeigen.

Die Aktivität bietet zahlreiche Möglichkeiten zu Diskussionen über:

  • Anatomische Unterschiede beim Flügel verschiedener Vögel
  • Flugmuster verschiedener Vögel und deren Einfluss auf die Anatomie
  • Gewicht der Muskeln und deren Einfluss auf die Funktion
  • Unterschiede zwischen hellem und dunklem Fleisch

Friedlinde Krotscheck, Sekundarschullehrerin für Biologie (pensioniert), Österreich




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