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Freitag, 31.03.2017
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Sehnen-Katapult verleiht Fröschen Sprungkraft

Elastische Fasern schnellen wie eine Bogensehne zurück und strecken so das Bein

Das Geheimnis der gewaltigen Sprungkraft von Fröschen liegt in ihren Sehnen. Wie ein mittelalterliches Katapult werden sie erst durch Muskelkraft gespannt und schleudern dann den Frosch in einer nahezu explosiven Entladung vorwärts. Das berichten US-amerikanische Forscher im Fachmagazin „Biology Letters“.
Leopardenfrosch beim Sprung

Leopardenfrosch beim Sprung

„Muskelkraft alleine kann die weiten Sprünge der Frösche nicht erklären“, sagt Henry Astley von der Brown University in Providence. Zwar sind die Muskeln der Frösche besonders dehnbar, wie er und seine Kollegen erst im letzten Jahr festgestellt hatten. Aber auch das reiche nicht aus, um die Schnellkraft zu erzeugen, die die Tiere für so weite Sprünge benötigten. „Um eine so außergewöhnlich Sprungkraft zu bekommen, braucht man zusätzlich eine elastische Struktur“, sagt Astley.

Um der Quelle dieser zusätzlichen Schnellkraft auf die Spur zu kommen, zeichneten die Forscher die Sprünge von Leopardenfröschen mit Hochgeschwindigkeits-Röntgenkameras auf. Die Bilder enthüllten, dass sich kurz vor dem Sprung die Beinmuskeln der Frösche zusammenziehen und dabei die Sehnen dehnen. Solcherart gespannt, speichern die elastischen Bänder die Energie. Beim Sprung löst sich die Spannung wie bei einer Katapultsehne und streckt das Hinterbein innerhalb von Sekundenbruchteilen durch.

Muskelfasern verkürzen sich nur minimal


„Die Aufnahmen zeigten, dass sich die Muskelfasern bei dieser Bewegung nur minimal verkürzten“, schreiben die Forscher. Das deute darauf hin, dass der Schub in diesem Moment nicht von den Muskeln, sondern vor allem durch das schnelle Zusammenziehen der Sehne erzeugt werde. Diese Beobachtung liefere den ersten Beleg für ein solches Sehnen-Katapult bei Wirbeltieren.


Die neuen Erkenntnisse könnten nun auch ein neues Licht auf die Springkünste anderer Tiere werfen. „Wir sind zuversichtlich, dass diese Studie uns Einblicke darin geben wird, wie die Muskeln und Sehnen auch bei der Bewegung anderer Tiere zusammenarbeiten“, sagt Studienleiter Thomas Roberts, ebenfalls von der Brown University. Bisher habe man auch bei einigen anderen guten Springern einen elastischen Mechanismus vermutet - nur direkt beobachten konnte man ihn bisher nicht.

Metallmarker in Knochen und Muskeln implantiert


Um die Muskel- und Sehnenbewegungen beim Sprung genau einfangen zu können, implantierten die Forscher den Versuchsfröschen winzige Metallperlen in die Hinterbeine. Die in Schienbeinknochen, Knöchel und Muskeln der Tiere sitzenden Marker waren auf Röntgenbilden gut zu erkennen. Das ermöglichte es Astley und Roberts, die Bewegungen der einzelnen Beinkomponenten mittels Röntgen-Hochgeschwindigkeitsaufnahmen genau zu verfolgen.

Die Forscher filmten den Sprung der Leopardenfrösche mit 500 Aufnahmen pro Sekunde und analysierten dann den genauen Ablauf in Superzeitlupe. Die Bilder enthüllten, dass der Beinmuskel für das Spannen der Sehnen nur 100 Millisekunden benötigt. Der darauf folgende Sprung dauerte bei den Leopardenfröschen etwa eine Fünftel-Sekunde. Andere Froscharten sprängen jedoch noch deutlich schneller, sagen die Forscher.

Mit dieser Studie sei es erstmals gelungen, die inneren Abläufe bei einem Froschsprung in allen Einzelheiten aufzuklären, meine die Forscher. Wie bei einem Puzzle hätten sie sich von den Besonderheiten der Muskeln bis zum Nachweis des Katapults vorgetastet. „Jetzt haben wir einen viel klareren Einblick, was dabei vor sich geht“, sagt Astley. (Biology Letters, 2011; doi:10.1098/rsbl.2011.0982)

Link:


Das Video (Brown University/Roberts, Astley) zeigt die Bewegung der Hinterbeinknochen eines Froschs beim Sprung, an der eingebetteten Kurve ist erkennbar, dass die Muskelspannung beim Absprung nachlässt statt zuzunehmen.
(Brown University, 21.11.2011 - NPO)
 
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