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Flug-Evolution: Anfangs passiver Flügelschlag?

Ein Dino-Roboter schlägt mit den "Flügeln". (Bild: Talori et al.)

Mit kraftvollen Flügelschlägen erheben sie sich in die Luft – wie ist dieses Konzept im Laufe der frühen Evolution der Vögel entstanden? Eine experimentelle Studie untermauert nun die Hypothese, wonach der aktive Flügelschlag aus der passiven Bewegung der Vordergliedmaßen zweibeiniger Dinosaurier beim Rennen hervorgegangen ist. Durch Berechnungen und anschließende Untersuchungen an einem Roboter-Dino sowie an Straußen konnten die Forscher dokumentieren, wie dieser passive Flügelschlag beim Laufen entsteht.

Mittlerweile geht aus zahlreichen Funden hervor: Viele Dinosaurier-Arten waren bereits gefiedert. Die feinen Strukturen wärmten die Tiere oder spielten eine Rolle beim Balzverhalten. Irgendwann entwickelten einige Arten dann Flügel, die sie in die Lüfte heben konnten – aus den Dinosauriern entwickelten schließlich die Vorfahren der heutigen Vögel. Es ist jedoch noch immer unklar, wie sich der aktive Flug im Rahmen dieser Evolutionsgeschichte entwickelt hat. Eine weitverbreitete Annahme dazu besagt, dass am Anfang das Gleiten stand: Baumbewohnende Dinosaurierarten könnten sich auf diese Weise zunächst passiv in ihrem Lebensraum fortbewegt haben – ähnlich wie die heutigen Flughörnchen. Anschließend begannen sie dann zunehmend ihre Flügel zu bewegen, bis schließlich ein aktiver Flug möglich war.

Was stand am Anfang der Entwicklung?

Es gibt allerdings auch Hinweise auf eine zweite mögliche Entwicklungsgeschichte: Bei bodenlebenden Dinosaurierarten könnte sich ohne die Vorstufe des Gleitflugs ein effektiver Hub durch den Flügelschlag entwickelt haben. Den Zündfunken könnte dabei ein Nebeneffekt beim Rennen gebildet haben: Das automatische Auf- und Abwippen ihrer gefiederten Vordergliedmaßen könnte den Zweibeinern einen Vorteil bei der Fortbewegung verschafft haben. Anschließend wurde dieser Effekt dann durch Muskelkraft verstärkt, bis die Tiere irgendwann abheben konnten, so der Erklärungsansatz.

Interessanterweise handelte es sich bei dem ältesten bekannten Dinosaurier mit gefiederten, flügelartigen Vordergliedmaßen um einen Bodenbewohner: Caudipteryx lebte in der Kreidezeit und ist durch zahlreiche Funde dokumentiert. Der zweibeinige Dinosaurier war etwa so groß wie ein Truthahn und besaß Vordergliedmaßen mit Krallen, an denen lange Federn saßen. Fliegen konnte er mit diesen Strukturen sicherlich nicht, aber wie Untersuchungen seiner Anatomie und von versteinerten Fußspuren zeigen, war er offenbar ein flinker Rennläufer.

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Schwingungen beim Laufen sorgen für den Schlag

Im Rahmen ihrer Studie haben die Forscher um Shan Zhao von der Tsinghua Universität in Peking nun untersucht, wie sich die flügelartigen Strukturen von Caudipteryx bewegten, wenn der Dino rannte. Zunächst ergaben ihre theoretischen Berechnungen auf der Grundlage der anatomischen Merkmale: Bei einer Laufgeschwindigkeit zwischen 2,5 und 5,8 Metern pro Sekunde entstehen Schwingungen, welche die Flügel des Tieres in eine deutliche Schlagbewegung versetzen.

Um diesen Effekt experimentell zu bestätigen, bauten die Wissenschaftler anschließend einen lebensgroßen Caudipteryx-Roboter, der sich in unterschiedliche Lauf-Geschwindigkeiten versetzen lässt. So konnten sie die Ergebnisse ihrer Modellberechnungen bestätigen: Der Roboter begann bei bestimmten Laufgeschwindigkeiten mit den Flügeln zu schlagen.

Um weitere Informationen zu sammeln, baute das Team anschließend Testgeräte mit sensorenbesetzten Flügeln, die Federn in unterschiedlicher Länge besaßen. Diese Vorrichtungen verpassten sie jungen Straußen wie einen Rucksack auf den Rücken. So konnten sie die Effekte auf das Gerät untersuchen, wenn die Laufvögel rannten. So zeigte sich, dass die mit langen Federn bestückten Flügel tatsächlich einen gewissen Auftrieb vermittelten, wenn sie beim Laufen passiv ins Schlagen versetzt wurden.

„Unsere Ergebnisse liefern somit Indizien dafür, dass der aktive Flügelschlag aus passiven Effekten hervorgegangen ist, als die gefiederten Dinosaurier auf dem Boden liefen“, resümiert Zhao. Diese Schlagbewegungen konnten die Dinosaurier zu dieser Zeit zwar nicht in die Luft heben, sie könnten aber die Grundlage für die weitere Entwicklung gelegt haben. „Somit könnte sich das Flügelschlagen früher entwickelt haben als das Gleiten“, so Zhao.

Er und seine Kollegen wollen nun weiter am Ball bleiben: Sie planen genauer zu analysieren, welchen Auftrieb oder Antriebseffekt der gefiederten Flügel von Caudipteryx während des passiven Schlagens den Tieren vermittelt haben könnte.

Quelle: PLOS, PLOS Computational Biology, doi: 10.1371/journal.pcbi.1006846

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