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Tiere sind die besseren Sprinter

Eine interdisziplinäre Gruppe von Wissenschaftlern der Universitäten in Köln, Koblenz, Tübingen und Stuttgart hat ein physikalisches Modell entwickelt, um zu erforschen, von welchen Eigenschaften die maximale Laufgeschwindigkeit bei Tieren abhängig ist.

Viele vierbeinige Säugetiere können erheblich höhere Laufgeschwindigkeiten erreichen als der zweibeinige Mensch. Perfekt an den Sprint angepasste Tiere, wie Geparden oder Antilopen, zeichnen sich durch eine schlanke Körperform, lange Beine sowie eine besonders bewegliche Wirbelsäule aus, um sehr hohe Geschwindigkeiten beim Laufen zu erreichen. Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe unter Beteiligung des Zoologischen Instituts der Universität zu Köln hat nun ein Modell entwickelt, das solche Eigenschaften berücksichtigt und die maximalen Laufgeschwindigkeiten für beliebig große Tiere berechnen kann. Die Ergebnisse ihrer Forschung sind unter dem Titel „Rules of nature's Formula Run: Muscle mechanics during late stance is the key to explaining maximum running speed“ in der Fachzeitschrift Journal of Theoretical Biology veröffentlicht worden. „Für diesen Artikel trafen gleich mehrere äußerst erfahrene Autoren, die beseelt waren vom gemeinsam voranschreitenden Erkenntnisgewinn durch intensives und fokussiertes Miteinanderwirken, auf mehrere ausnehmend konstruktive Gutachter, und das Alles begleitet durch sehr souveräne Editoren vom Journal of Theoretical Biology“, erklärt der Leiter der Studie Dr. Michael Günther von der Universität Stuttgart.

Die Olympischen Spiele in Tokyo stehen vor der Tür und als ein Höhepunkt gilt der 100-Meter-Sprint der Männer. Dabei können Spitzensprinter Laufgeschwindigkeiten von fast 45 Stundenkilometern erreichen. Was beeindruckend klingt, ist jedoch im Vergleich zu den Sprintleistungen im Tierreich gering: Es entspricht etwa der Höchstgeschwindigkeit einer Hauskatze. Geparden schaffen mehr als das Doppelte (über 100 km/h), aber auch andere Tiere wie Antilopen (90 km/h), oder selbst Warzenschweine und Hasen (knapp 60 km/h) würden menschlichen Sprintern davonrennen.

Das Forschungsteam hat untersucht, von welchen physikalischen und biologischen Faktoren die Höchstgeschwindigkeit der Tiere abhängt. Dabei konnten die Forscher umfassende Antworten auf Fragen zur Bedeutung des Körperdesigns geben, beispielsweise „Warum gibt es in der Natur ein Geschwindigkeitsmaximum bei mittelgroßen Tieren?“, „Welches sind die Eigenschaften, die hauptsächlich die maximale Laufgeschwindigkeit bestimmen?“ und „Welche Eigenschaften setzen der Geschwindigkeit Grenzen?“. Kern ihrer theoretischen Arbeit sind das physikalische Gleichgewicht von vorwärtstreibender Beinkraft und zu überwindendem Luftwiderstand, sowie die Massenträgheit der antreibenden Muskulatur. Dabei zeigen sie eine Art Hauptweg für die Änderung der Bauform von Tierkörpern in Abhängigkeit von der Körpergröße (Allometrie), in Anpassung an schnelle beingetriebene Fortbewegung auf. “Dieser Hauptweg beschreibt, wie sich in Abhängigkeit von der Körpergröße die Gestalt eines Organismus ändern muss, um eine hohe Laufgeschwindigkeit zu erreichen und wie sich diese Gestaltänderung auf die erreichbare Höchstgeschwindigkeit auswirkt”, erläutert Dr. Tom Weihmann vom Zoologischen Institut der Universität zu Köln.

Das klassische Beispiel sind die Maus und der Elefant. Eine elefantengroße Maus wäre schlicht nicht lebensfähig, weil ihre Knochen unter dem eigenen Gewicht brechen würden. Elefanten haben entsprechend relativ zum Gewicht viel dickere und schwerere Knochen sowie deutlich gestrecktere Beine. Diese ermöglichen die enorme Größe der Tiere. Die schweren Knochen und geraden Beine begrenzen aber die Höchstgeschwindigkeit, die deutlich niedriger ist als die von Geparden, obwohl Elefantenbeine viel länger sind. Die Höchstgeschwindigkeiten hängen aber nicht nur von der Größe, sondern auch von der Konstruktion der Tiere ab, wie zum Beispiel von der Anzahl der Beine und der Beweglichkeit der Wirbelsäule. So sind viele vierbeinige Säugetiere in der Lage viel höhere Laufgeschwindigkleiten zu erreichen als zweibeinige Entwürfe wie Menschen und Vögel, weil sie galoppieren und dabei ihre Rumpfmuskulatur für den Vortrieb nutzen können. “Werden die Tiere zu schwer, helfen allerdings auch kräftigere Muskeln nicht mehr weiter, da größere Muskeln mehr Zeit benötigen, um sich mit höchster Geschwindigkeit zu kontrahieren. Entsprechend liegt die Gewichtsgrenze, ab der die Sprintgeschwindigkeiten wieder abnehmen, bei circa 50 kg, also recht genau dem mittleren Gewicht von Geparden und Gabelböcken, den schnellsten Sprintern auf unserem Planeten”, so Dr. Weihmann.

Das Modell lässt sich sogar auf Fantasiewesen anwenden. So würde die Riesenspinne Kankra aus Tolkiens “Herr der Ringe” eine Spitzengeschwindigkeit von etwa 60 km/h erreichen. Bezogen auf die menschliche Körpergeometrie zeigt das Modell, dass Spitzensprinter im Sport schon sehr nah an ihrem Geschwindigkeitsoptimum sind. Abgesehen von technischen Entwicklungen, wie speziellen Laufschuhen, oder Exoskeletten, durch die verlängernde Hebel oder zusätzliche Elastizitäten verfügbar werden können, würden nur längere Beine oder elastischere Sehnen noch höhere Geschwindigkeiten ermöglichen.
 

Inhaltlicher Kontakt:
Dr. Tom Weihmann
Institut für Zoologie (AG Büschges)
+49 221 470-1617
tom.weihmannSpamProtectionuni-koeln.de

Presse und Kommunikation:
Mathias Martin
+49 221 470-1705
m.martinSpamProtectionverw.uni-koeln.de

Publikation:
https://doi.org/10.1016/j.jtbi.2021.110714

Weitere Informationen:
Ein Erklärvideo zum Modell findet sich unter: tinyurl.com/FormulaRun