Warum selbst der schnellste Mann der Welt einer normalen Hauskatze nicht davonlaufen kann
Warum selbst der schnellste Mann der Welt einer normalen Hauskatze nicht davonlaufen kann
Anonim

Laut einer neuen Studie wird selbst der schnellste Mensch der Welt nicht in der Lage sein, mit der durchschnittlichen Hauskatze mitzuhalten. In einem Wettbewerb mit Geparden hätte der schnelle Olympioniken keine Chance auf den Sieg gehabt. Was bestimmt die Höchstgeschwindigkeit?

Das neue Modell erklärt, wie unterschiedliche Kräfte und Körperstrukturen die maximale Laufgeschwindigkeit beim Menschen begrenzen.

Letzte Woche versammelten sich die schnellsten Sprinter der Welt bei den Olympischen Spielen in Tokio, um im 100-Meter-Rennen um Gold zu kämpfen. Lamont Marcell Jacobs erreichte die Ziellinie in 9,80 Sekunden und gewann Italiens erstes Gold in dieser Disziplin. Bei den Frauen holte Jamaika Gold, Silber und Bronze - ein klarer Sieg, angeführt von Elaine Thompson-Herah, die den vor 33 Jahren aufgestellten olympischen Rekord mit 10,61 Sekunden brach.

Aber keiner von ihnen kann das Erbe des achtmaligen Olympiasiegers Usain Bolt erreichen, der sich 2017 aus dem Sport zurückzog, aber immer noch den Titel des schnellsten Mannes der Welt hält. Bolt lief die 100 m in 9,58 Sekunden. Obwohl Bolts Geschwindigkeit 43,5 Stundenkilometer erreichte, ist dies immer noch weniger als die Geschwindigkeit einer gewöhnlichen Hauskatze. (Ja, die gemeine Hauskatze.) In einem Wettbewerb mit Geparden und Gabelböcken, die als die schnellsten Tiere der Welt gelten, hätte Bolt keine Chance auf den Sieg.

Man könnte meinen, wie schnell ein Tier laufen kann, hängt von der Größe seiner Muskeln ab: mehr Kraft, mehr Geschwindigkeit. Obwohl dies bis zu einem gewissen Grad zutrifft, wird ein Elefant niemals eine Gazelle überholen. Was also bestimmt eigentlich die Höchstgeschwindigkeit?

Kürzlich hat eine Gruppe von Wissenschaftlern um den Biomechaniker Michael Günther von der Universität Stuttgart herausgefunden, welche Naturgesetze die maximale Laufgeschwindigkeit im Tierreich bestimmen. In ihrer neuen Studie, deren Ergebnisse letzte Woche im Journal of Theoretical Biology veröffentlicht wurden, präsentierten sie ein komplexes Modell unter Berücksichtigung von Körpergröße, Beinlänge, Muskeldichte und mehr, um zu erklären, welche Merkmale der Körperstruktur sind das wichtigste, um die schnellstmögliche Geschwindigkeit zu gewährleisten.

Diese neue Studie bietet Einblicke in die biologische Evolution von Vierbeinern und ihre Laufgewohnheiten und kann von Ökologen verwendet werden, um zu verstehen, wie sich Geschwindigkeitsbegrenzungen auf Populationen, Habitatwahlen und die Dynamik von Populationen verschiedener Arten auswirken. Die Forschung könnte auch für Robotik- und Biomediziningenieure nützlich sein, die optimale Tierkörperstrukturen untersuchen, um das Design für zweibeinige Laufroboter und verschiedene Prothesen zu verbessern.

„Es geht darum, die Ursachen der Evolution zu verstehen und zu verstehen, warum und wie sie die Körperstruktur verändert“, sagt Gunther über den Zweck der Studie. "Sie können auch Ihr Wissen darüber erweitern, wie sich verschiedene evolutionäre Bedürfnisse auf die Körperzusammensetzung auswirken, einschließlich der Notwendigkeit, schnell zu laufen."

Frühere Forschungen auf diesem Gebiet unter der Leitung von Myriam Hirt vom Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung haben gezeigt, dass der Schlüssel zur Geschwindigkeit im tierischen Stoffwechsel liegt – also der Umwandlung von Nährstoffen in Treibstoff wird in Muskelfasern gespeichert, um sie beim Laufen zu verwenden.Hurts Team fand heraus, dass größeren Tieren der Treibstoff schneller ausgeht als kleineren, weil sie länger brauchen, um ihre schwereren Körper zu beschleunigen. Dies wird als Muskelermüdung bezeichnet. Dies erklärt, warum - rein theoretisch - ein Mensch einem Tyrannosaurus entkommen könnte.

Doch Gunther und seine Kollegen standen dieser Schlussfolgerung skeptisch gegenüber. „Ich dachte, wir könnten eine andere Erklärung geben“, sagte er, „eine Erklärung, bei der nur die Prinzipien der klassischen Physik verwendet würden, um die Geschwindigkeitsbegrenzungen zu charakterisieren. Daher haben Wissenschaftler ein biomechanisches Modell erstellt, das aus mehr als 40 verschiedenen Parametern in Bezug auf Körperstruktur, Laufgeometrie und Kräftegleichgewicht auf den Körper besteht.

„Die Grundidee ist, dass zwei Faktoren die Höchstgeschwindigkeit begrenzen“, sagt Robert Rockenfeller, Mathematiker an der Universität Koblenz-Landau und Mitautor der Studie. Der erste ist der Luftwiderstand, die Kraft, die auf jedes Bein einwirkt, wenn es versucht, den Körper nach vorne zu bewegen. Da die Wirkung der Widerstandskraft mit zunehmender Masse nicht zunimmt, ist dies bei kleineren Tieren der dominierende geschwindigkeitsbegrenzende Faktor. „Wenn man unendlich schwer wäre, würde man angesichts des Luftwiderstands unendlich schnell laufen“, erklärt Rockenfeller.

Der zweite Wirkfaktor, der mit zunehmendem Körpergewicht nur noch ansteigt, ist die Trägheit, also der Widerstand des Körpers gegen eine Zustandsänderung, in diesem Fall beim Beschleunigen aus dem Ruhezustand. Rockenfeller sagt, dass ein Tier eine zeitliche Begrenzung für die Beschleunigung seiner eigenen Masse hat: Dies ist die Zeitspanne zwischen dem Aufsetzen des Fußes auf dem Boden und dem Moment, in dem der Fuß vom Boden abgehoben wird. Dies schränkt vor allem größere Tiere ein: Je mehr Masse nach vorne getrieben werden muss, desto schwieriger ist es, den Schwung zu überwinden. Somit sind Tiere mit geringerem Körpergewicht im Vorteil.

Nach den Forschungsergebnissen liegt der optimale Wert des Körpergewichts zur Überwindung von Luftwiderstand und Trägheit bei etwa 50 Kilogramm. Es ist kein Zufall, dass dies das Durchschnittsgewicht von Geparden und Gabeln ist.

Auch für verschiedene Karosseriestrukturen mit einem Gewicht von etwa 100 kg konnte Gunthers Team die theoretische Höchstgeschwindigkeit berechnen. Eine Hauskatze dieser Größe konnte eine Geschwindigkeit von 74 Stundenkilometern erreichen; eine Riesenspinne würde, wenn ihre Beine ihr Gewicht irgendwie tragen könnten, auf 56 Stundenkilometer beschleunigen. Es ist nicht überraschend, aber der durchschnittliche Indikator für eine Person mit einem Gewicht von 100 Kilogramm ist der letzte in dieser Reihe: Seine Geschwindigkeit wird 38 Stundenkilometer nicht überschreiten.

Aber die Körpergröße ist nicht das einzige Merkmal, das die Höchstgeschwindigkeit beeinflusst. Das Model zeigte, dass auch die Beinlänge eine Rolle spielt. Tiere mit längeren Beinen können ihren Körper weiter nach vorne schieben, bevor ihr Fuß vom Boden abheben muss, was die Zeit verlängert, die sie zwischen der Mittelbeinphase und dem Abheben vom Boden benötigen, um zu beschleunigen.

Warum Vierbeiner schneller laufen können als der Mensch, erklärte Gunther, dass dies nicht daran liegt, dass wir nur zwei Beine haben, sondern weil unser Körper aufrecht steht und die volle Schwerkraft erfährt. Im Laufe der Evolution bei zweibeinigen Kreaturen wurde die Wirbelsäule viel weniger beweglich, da für sie Gleichgewicht und Stabilität die Priorität der Geschwindigkeit waren. Inzwischen haben Tiere, deren Körper parallel zum Boden angeordnet sind, im Laufe der Evolution flexiblere Stacheln erhalten, die für einen längeren Kontakt des Fußes mit dem Boden optimal sind.

Was ist mit Muskelermüdung? „Das ist egal“, sagt Günther. Als Teil ihrer Forschung kam sein Team zu dem Schluss, dass jedes Tier auf mindestens 90% seiner Höchstgeschwindigkeit beschleunigen kann, bevor ihm der Treibstoff ausgeht.

Carl Cloyed, Ökologe am Dauphin Island Sea Lab in Alabama, der die Fortbewegung von Tieren untersucht, glaubt, dass aus evolutionärer Sicht eine biomechanische Erklärung sinnvoller ist als der Muskel, dem der Treibstoff ausgeht. … „Ich würde vorschlagen, dass sich Tiere im Laufe der Evolution daran anpassen mussten“, sagte er. Er räumte jedoch ein, dass mehr experimentelle Forschung erforderlich ist, um das neue Modell zu validieren.

Gunther und Rockenfeller sind sich einig, dass weitere Experimente erforderlich sind, um ihre Ergebnisse zu testen, und sie glauben, dass sie anderen Wissenschaftlern ein umfassendes Modell zur Verfügung gestellt haben, das sie weiter testen können. Alle Wissenschaftler sind sich jedoch bewusst, dass dies mit Schwierigkeiten verbunden sein wird. Wissenschaftler müssen Tiere im Labor einfangen und beobachten oder hochwertiges Videomaterial verwenden, um die Biomechanik ihrer Bewegungen zu analysieren, sagte Kloyed. Die genaueste Methode zur Untersuchung der Bewegungen eines laufenden Tieres kann die Implantation mechanischer Sensoren in ihr Muskelgewebe und die weitere Beobachtung in ihrem natürlichen Lebensraum sein. Dies bringt aber laut Gunther eine Reihe von offensichtlichen logistischen und ethischen Problemen mit sich.

Kloyed möchte auch sehen, wie sich diese Analyse ausdehnt, insbesondere auf andere Fortbewegungsarten wie Fliegen und Schwimmen. "Wenn sich diese Hypothese als richtig herausstellt, kann sie auf andere Objekte in der Umgebung übertragen werden."

Kann also jemand den Rekord von Usain Bolt brechen? Vielleicht, aber es ist unwahrscheinlich, dass die Leute noch schneller laufen können. Die Biomechanik des Laufens zeigt, dass wir bereits an die Grenzen des menschlichen Körpers stoßen. Und wenn ein anderer der schnellste Mensch der Welt wird, muss er zustimmen, dass er diesen Titel nur unter den Menschen tragen wird. Im Tierreich haben wir nichts, worauf wir uns verlassen können.

Beliebt nach Thema