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Montag, 23.01.2017
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Sauropoden: Luftblasen als Stoßdämpfer

Was die Wirbelsäule über die Lebensweise der Dinosaurier verrät

Dinosaurier wie Apatosaurus, Diplodocus oder Brachiosaurus waren die größten landlebenden Wirbeltiere aller Zeiten. Doch noch sind längst nicht alle Rätsel um diese Sauropoden gelöst. Unklar war bislang beispielsweise, welche biologische Rolle das Luftsacksystem in ihrer Wirbelsäule spielte und auch für die Abstützung ihrer außerordentlich langen Hälse gab es bislang noch keine befriedigende Erklärung. Wissenschaftler des Naturhistorischen Museums Basel haben diese offenen Fragen jetzt in einem neuen Forschungsprojekt des Schweizerischen Nationalfonds geklärt.
Apatosaurus

Apatosaurus

Hals- und Rumpfwirbel der Sauropoden waren ähnlich wie bei heutigen Vögeln von luftgefüllten Hohlräumen durchdrungen. Die dafür verantwortlichen „Luftblasen“, so genannte pneumatische Diverticula, stammten aus Abzweigungen großer paariger Luftsäcke im Schulterbereich, die mit der Lunge in Verbindung standen.

Die Schweizer Forscher haben in ihrer Studie die pneumatischen Hohlräume in den Wirbeln mithilfe computertomographischer Aufnahmen sichtbar gemacht und dabei eine Gewichtsreduzierung von mehr als 30 Prozent in der Hals- und Rumpfwirbelsäule berechnet. „Der Hohlraumanteil in den Wirbeln – und damit die Gewichtsreduzierung – steht in direktem Zusammenhang mit der Halslänge und der Körpergröße. Die pneumatischen Diverticula bildeten entlang des Halses große segmentierte Luftkammersysteme, während im Rumpf einzelne ‚Luftblasen’ um die Wirbel auftraten.“, erläutert Daniela Schwarz vom Naturhistorischen Museum Basel. Über die Verbindung zum Atmungsapparat konnten Volumen und Druck in den Luftsack-Systemen von Sauropoden wahrscheinlich etwas reguliert werden.

Luftsäcke als Stützelement


Luftsacksystem

Luftsacksystem

Eine mögliche Funktion der Luftsäcke als Stützelement im Hals überprüften und bestätigten die Wissenschaftler um Schwarz in einem Experiment mit einem vereinfachten mechanischen Halsmodell. Voraussetzung für die Stabilisierungsfunktion waren aber eine große Ausdehnung der Luftsäcke, ein ausreichend hoher Druck - circa zehn Kilopascal (kPa) - in den Luftsäcken und die Fähigkeit zur Regulierung des Füllzustandes dieses Systems.

Die mechanischen Eigenschaften der Luftsäcke im Hals von Sauropoden wurden auch mit einem Ingenieur für Leichtbaukonstruktionen diskutiert, der entscheidende Hinweise auf weitere Funktionen lieferte. „Die seitliche Ausdehnung der Luftsäcke am Wirbel wirkte vermutlich als Distanzhalter für die Halsmuskeln. Diese bekamen so eine größere Distanz zur Drehachse (Gelenkfläche des Wirbels) und mussten weniger Kraft für die Bewegung des Halses aufwenden.“, erklärt Schwarz. Die untereinander verbundenen Diverticula funktionierten wahrscheinlich nach dem Prinzip von Stoßdämpfern. So wurden die bei der Fortbewegung auftretenden Schwingungen im Hals und der Rumpfwirbelsäule besser unterdrückt. Dieser Dämpfungseffekt benötigte nur sehr geringe Luftdrücke und konnte auch in Kombination mit der Stabilisierung des Halses auftreten.


Leichtbauweise als Erfindung der Natur


Stützstrukturen des Sauropodenhalses

Stützstrukturen des Sauropodenhalses

Eine erstmals von den Forschern an Sauropodenwirbeln durchgeführte mechanische Analyse (Finite-Elemente-Analyse (FEA)) ergab Hinweise auf weitere Stabilisierungsmechanismen im Bereich der Halswirbelsäule. So haben die langen Bündel von Halsrippen den Hals vermutlich von unten gestützt. Die oberen Wirbelgelenke, so genannte Zygapophysen, bildeten zudem eine Art Schwalbenschwanz-Führung, die das Verdrehen oder Knicken der Halswirbel verhinderte. Die FEA lieferte aber auch die mechanische Erklärung für die Gewichtsreduzierung in der Wirbelsäule: pneumatische Hohlräume treten nur in mechanisch fast spannungsfreien Bereichen der Wirbel auf, um welche herum ein fachwerkähnliches „Knochengerüst“ zur Ableitung der Spannungen gebildet wird.

„Dieses stabile ‚Gerüst’ erlaubte die Reduzierung (Pneumatisierung) aller wenig belasteten Bereiche, der Wirbel formte also eine Leichtbaukonstruktion. Das Zusammenspiel der verschiedenen Stabilisierungsmechanismen erklärt, warum die evolutionäre Entwicklung derartig langer Hälse bei Sauropoden möglich war.“, beschreibt Schwarz die neuen Forschungsergebnisse. Die meisten Sauropoden hatten nur wenig bewegliche Hälse, die wahrscheinlich auf bestimmte Fraßhöhen festgelegt waren. Die Baseler Wissenschaftler konnten auch das Bild der Fraßhöhevariationen durch eine detailliert neu rekonstruierte Stellung des Schultergürtels verfeinern.

„Entscheidend für die Stabilisierung der Rumpfwirbelsäule waren die Wirbelsäulenmuskulatur, ein starker Bänderapparat und die Versteifung der Wirbelsäule durch ein zusätzliches Gelenk. Bei einigen titanosauriden Sauropoden waren die seitlichen Rumpfmuskeln vergrößert, die zusätzlichen Gelenke reduziert und die Hintergliedmaßen stärker zur Seite abgespreizt. Die daraus resultierende, vor allem seitlich gerichtete stärkere Beweglichkeit der Rumpfwirbelsäule ermöglichte größere Schrittlängen und damit vermutlich schnellere Gangarten oder eine bessere Wendigkeit.“, so Schwarz abschließend.
(Daniela Schwarz, Naturhistorisches Museum Basel, 16.10.2007 - DLO)
 
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