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Paläontologie & Physik

Interessante Hydrodynamik bei Plesiosauriern

Strömungssimulationen haben Faktoren des Wasserwiderstandes bei den skurril geformten Meeresechsen der Jura- und Kreidezeit aufgezeigt. © S. Gutarra Díaz

Die extrem langhalsige Körperform der Plesiosaurier war mit weniger Energiekosten beim Schwimmen verbunden als bisher angenommen, zeigt eine Studie. Offenbar glich der Effekt des großen Körpers der Meeresechsen den Nachteil des erhöhten Wasserwiderstandes durch die Körperform aus. Deshalb wuchs auch der lange Hals bei einigen Vertretern der Plesiosaurier im Lauf ihrer Entwicklungsgeschichte in Kombination mit den Körperausmaßen, sagen die Wissenschaftler.

Als T. rex, Titanosaurier und Co. über die Erde stapften, hatten auch die Meere skurrile Wesen zu bieten: Bis zum Ende der Kreidezeit waren dort Reptilien unterwegs, die sich aus landlebenden Vorfahren entwickelt hatten – ähnlich wie die heutigen Meeressäugetiere. Doch während die Ichthyosaurier stromlinienförmige Körperformen wie Fische oder die heutigen Delfine hervorbrachten, entwickelten die Vertreter der Plesiosaurier Strukturen, für die es heute keine Entsprechungen mehr gibt. Der kleine Kopf dieser bis zu 15 Meter langen Reptilien saß am Ende eines verlängerten Halses, der vor allem bei der Untergruppe der Elasmosaurier enorm ausgeprägt war. Bei einigen Arten war er mehr als doppelt so lang wie der Rumpf. Diese Schlangenhälse halfen ihnen wahrscheinlich dabei, schnell schwimmende Fische zu erbeuten, während sie sich mittels ihrer vier Flossen in einer „fliegenden“ Weise durchs Wasser bewegten.

Bisher nahm man an, dass die ungewöhnliche Körperform mit einem erheblichen Preis verbunden war: Es lag nahe, dass hydrodynamische Effekte bei der Bewegung im Wasser die Tiere beim Schwimmen vergleichsweise stark ausbremsten. Unter anderem könnte dabei auch der lange Hals durch seine große Oberfläche und Verwirbelungen im Wasser für Widerstand gesorgt haben. Deshalb wurde vermutet, dass die Plesiosaurier im Gegensatz zu den hydrodynamisch optimiert wirkenden Ichthyosauriern weniger energiesparend im Wasser unterwegs waren. Doch inwieweit Form und Größe den Energiebedarf beim Schwimmen der Plesiosaurier tatsächlich beeinflussten, blieb bisher unklar.

Paläontologische Strömungssimulationen

Diesem Thema hat sich nun ein interdisziplinäres Forscherteam der University of Bristol gewidmet. „Um mögliche Effekte zu verdeutlichen, haben wir verschiedene 3D-Modelle erstellt und Strömungssimulationen bei verschiedenen Vertretern der Plesiosaurier, Ichthyosaurier und der Wale durchgeführt“, sagt Erstautorin Susana Gutarra Díaz. „Diese Experimente liefen zwar am Computer ab, sie entsprechen aber Versuchen in einem Wassertank“, erklärt die Paläobiologin.

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Wie das Team berichtet, bestätigten ihre Strömungssimulationen zunächst, dass die ungewöhnliche Form der langhalsigen Plesiosaurier tatsächlich einen vergleichsweise hohen Bremseffekt beim Schwimmen verursachte. Doch dann wurde deutlich, dass dieser Faktor mit zunehmender Körpergröße eine immer geringere Rolle spielt: „Es zeigte sich, dass die Plesiosaurier zwar etwas mehr Wasserwiderstand als Ichthyosaurier oder Wale gleicher Masse aufwiesen, letztlich waren diese Unterschiede aber relativ gering“, sagt Co-Autor Colin Palmer. „Denn wenn man die Größe mit einbezieht, werden die Formunterschiede weniger wichtig“, so der Forscher.

Durch ihre Simulationen konnten die Forscher auch speziell die Rolle des Halses aufzeigen: „Wir waren besonders an den sehr langen Hälsen der Elasmosaurier interessiert und haben daher hypothetische 3D-Modelle von Plesiosauriern mit unterschiedlich langen Hälsen erstellt“, sagt Gutarra Díaz. „Die Simulationen dieser Modelle zeigten, dass der Hals ab einem bestimmten Punkt einen zusätzlichen Widerstand erzeugt, der das Schwimmen besonders kostspielig macht. Die Grenze der noch vergleichsweise günstigen Halslänge liegt dabei etwa bei der doppelten Länge des Rumpfes des Tieres“, berichtet die Forscherin.

Kaum ausgebremste Langhälse

Dieses Ergebnis glichen die Forscher anschließend mit Informationen aus Fossilienbeständen ab: „Als wir Größen und Proportionen vieler unterschiedlicher Vertreter der Plesiosaurier untersuchten, stellte sich heraus, dass die meisten von ihnen Hälse unterhalb dieser Schwelle für hohen Widerstand besaßen – also in dem Bereich, innerhalb dessen die Halslänge den Widerstand nicht übermäßig stark beeinflusst“, sagt Co-Autor Benjamin Moon. Die Ausnahme bildeten dabei allerdings die Elasmosaurier. „Besonders interessant war, dass wir zeigen konnten, dass diese besonders langhalsigen Plesiosaurier auch sehr große Rümpfe entwickelt hatten. Offenbar kompensierten sie dadurch den erhöhten Wasserwiderstand“, sagt der Experte für Meeresreptilien.

Aus den paläobiologischen Informationen ging zudem hervor, dass sich die Proportionen bei den Vertretern der Elasmosaurier sehr schnell im Verlauf ihrer Entwicklungsgeschichte verändert haben. „Das bestätigt, dass die langen Hälse für Elasmosaurier bei der Jagd vorteilhaft waren, aber sie konnten diese Anpassung erst nutzen, indem sie auch groß genug wurden, um die Kosten des erhöhten Wasserwiderstandes an ihrem Körper auszugleichen“, sagt Co-Autor Tom Stubbs. Sein Kollege Mike Benton sagt dazu abschließend: „Die maximalen Halslängen scheinen die Vorteile bei der Jagd gegen die Kosten für das Wachstum und die Erhaltung eines so langen Halses abzuwägen. Mit anderen Worten: Die Hälse dieser außergewöhnlichen Lebewesen haben sich im Gleichgewicht mit der Gesamtkörpergröße entwickelt, um den Effekt des Wasserwiderstandes so gering wie möglich zu halten.“

Quelle: University of Bristol, Fachartikel: Commun Biol, doi: 10.1038/s42003-022-03322-y

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