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Samstag, 27.05.2017
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Vogelflug hängt an einem Band

Wie stabilisierten die ersten Vögel ihre Flügel?

Sie schickten Alligatoren in die Tretmühle, entwickelten ein 3-D Modell einer gleitenden Taube und analysierten Fossilien aus dem fernen China: All dies unternahmen amerikanische Wissenschaftler mit dem Ziel, die Evolution des Fliegens besser zu verstehen. Mit Erfolg: Wie sie in der Zeitschrift Nature berichten, entdeckten sie, dass ein bestimmtes Halteband des Schultergelenks eine entscheidende Rolle für die Flugfähigkeit der heutigen Vögel spielt.
Archaeopteryx

Archaeopteryx

„Wie die Tiere sich vom Boden erhoben – wie aus Beinen Flügel wurden – ist eine faszinierende Frage“, erklärt David Baier, Leiter der Studie an der Fakultät für Ökologie und evolutionäre Biologie der Brown Universität. Gemeinsam mit Kollegen von der Harvard Universität konzentrierte der Forscher seine Untersuchungen auf das Schultergelenk der Vögel. An dieser Verbindungsstelle zwischen Flügel und Körper wirken gewaltige Kräfte auf Muskeln und Knochen ein. Seine Ausgangsfrage war daher: Warum renkt sich das Gelenk nicht ständig aus? Wie hält es den Kräften stand und stabilisiert die Flügel im Flug?

Tauben im Gleitflug…


Baier und sein Team gingen diese Fragen auf breiter Front an: Sie untersuchten sowohl an lebenden Tieren wie auch an Dinosaurierfossilien die Interaktion von aerodynamisch optimiertem Gewebe, Knochen und den Flugkräften. Das Ganze begann mit Tauben: Um besser zu verstehen, wie die heutigen Vögel ihre Flügel stabilisieren setzen die Forscher computertomographische Aufnahmen ein, um daraus ein virtuelles 3-D Skelett zu konstruieren. Mithilfe dieses Modells kalkulierten sie die Kräfte, die gebraucht werden, um das Tier im Gleitflug zu halten.

Dabei zeigte sich, dass weder das Schultergelenk selbst noch die daran ansetzenden Muskeln die Hauptrolle spielten. Stattdessen hängt im wortwörtlichen Sinne nahezu alles an einem einzigen Halteband, dem so genannten acrocoracohumeralen Ligament, einer kurzen Sehne, die den Oberarmknochen mit dem Schultergelenk verbindet. Dieses Band balanciert alle Kräfte, die auf das Gelenk einwirken – vom massiven Zug der mächtigen Brustmuskeln des Vogels bis zu dem Druck der Luft unter den Flügeln. Damit wird es zum Dreh- und Angelpunkt des modernen Vogelflugs.


…und Alligatoren in der Tretmühle


Aber spielte dieses Band auch schon bei den Vorfahren der heutigen Vögel diese entscheidende Rolle? Um dies herauszufinden nahm sich das Forscherteam den Alligator vor. Die Reptilien gehören wie die Vorfahren der Vögel zu den Archosauriern, einer Saurierform, die vor 250 Millionen Jahren entstand und aus denen sich auch die Dinosaurier entwickelten. Da die Vögel aus den Dinosauriern - und damit auch aus Reptilien – hervorgegangen sind, gelten Alligatoren sozusagen als „Cousins“ der heutigen Vögel.

Im Labor von Farish Jenkins Jr., Professor für Biologie an der Harvard Universität ließen die Forscher drei Alligatoren in einer motorisierten Tretmühle laufen und filmten dabei mit einer Röntgenkamera. Aus den Aufnahmen erstellten sie anschließend eine dreidimensionale Computeranimation, die die genaue Position der Schulter und anhängender Gewebe beim Laufen abbildete. Es zeigte sich, dass die Alligatoren ausschließlich Muskeln, nicht aber Bänder nutzten, um die Schulter beim Laufen zu stabilisieren. Daraus ergab sich die Schlussfolgerung, dass bei den gemeinsamen Vorfahren der Alligatoren und Vögel das acrocoracohumerale Ligament offenbar noch keine herausragende Rolle spielte.

Erste Vogelähnliche noch ohne Hauptrolle für Ligament


Wie aber sah es bei den Übergangsformen aus? Das sollte dann die Analyse des Archaeopteryx lithographica, des Bindeglieds zwischen Reptil und Vogel, sowie einiger Fossilien von den Vögeln bereits nahe stehenden Dinosauriern aus China klären helfen. Wenn das Ligament wirklich ausschlaggebend für die Entwicklung des Fliegens war, sollte es bei Archaeopteryx und Co. schon vorhanden sein. Doch überraschenderweise ergaben die Fossilienuntersuchungen keinerlei Hinweis auf eine herausragende Rolle dieses Bands. Offensichtlich hatte sich das auf dem Ligament beruhende Stabilisierungssystem erst langsam im Laufe der Vogelevolution entwickelt.

“Das bedeutet, dass es im Laufe der Zeit Verbesserungen im Flugapparat der Vögel gab” erklärt Baier. „Als die frühen Vögel flogen, balancierten sie ihre Schultern offenbar anders als die heutigen Vögel. Und sie könnten auch ganz anders geflogen sein.“ Die neuen Erkenntnisse und Modelle könnten auch dazu beitragen, die alte Streitfrage unter Evolutionsforschern zu klären, ob die ersten Vögel von den Bäumen abwärts glitten oder aber sich laufend und flügelschlagend vom Boden erhoben.
(Brown University, 18.12.2006 - NPO)
 
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