Um zu untersuchen, ob Flusspferde schnell laufen, untersuchten Wissenschaftler speziell ihren Gang

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Su Chengyu (populärwissenschaftlicher Autor)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Geheimnisse der Biowissenschaften zu entschlüsseln, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Neues Wissen über das Leben“ veröffentlicht, die Lebensphänomene interpretiert und die Geheimnisse der Biologie aus einer einzigartigen Perspektive enthüllt. Tauchen wir ein in die Welt des Lebens und erkunden wir die unendlichen Möglichkeiten.

Im Juni 2024 veröffentlichten britische Wissenschaftler einen Artikel in der Zeitschrift PeerJ, in dem sie die einzigartige Bewegungsfähigkeit von Flusspferden (Hippopotamus amphibius) an Land enthüllten. Wenn viele wissenschaftliche Medien diesen Artikel zitieren, betonen sie in den Schlagzeilen stets, dass Flusspferde beim Laufen in die Luft fliegen können.

Nilpferd rennt

(Bildnachweis: Sabine Stols)

Wenn man eine solche Schlagzeile liest, denkt man zunächst, das Nilpferd müsse sehr schnell sein, um so etwas zu können. Doch so einfach ist es in Wirklichkeit nicht. Wenn Sie wissen möchten, warum das so ist, müssen Sie zunächst verstehen, wie Wissenschaftler forschen. Kate M. Baker ist eine erfahrene Tierverhaltensforscherin mit einer Leidenschaft für das Studium der Bewegungsmuster großer Säugetiere. Sie arbeitete mit Victoria Fishlock und Eleanor Slade zusammen, beides Expertinnen für Ökologie und Naturschutzbiologie. Stephen J. Wickings ist ein erfahrener Datenanalyst mit einem einzigartigen Talent für die Verarbeitung und Interpretation komplexer Videodaten.

Sie führten eine detaillierte Studie in North Yorkshire, Großbritannien, durch. Dort filmten Wissenschaftler die Flusspferde 16 Stunden lang und zeichneten jede ihrer Bewegungen auf, während sie vom Wasser in ihren Lebensraum liefen. Aber das ist nicht genug. Um eine umfassendere Analyse durchführen zu können, sammelten die Wissenschaftler außerdem weitere Videos der Gangarten von Flusspferden von Plattformen wie YouTube, um die Vielfalt und Vollständigkeit der Daten sicherzustellen.

Beispiel für ein Gangmuster bei der Analyse von Bewegungsdaten von Nilpferden

(Bildquelle: Dokument 1)

Anschließend konvertierten sie die Videos in Einzelbildbilder und analysierten mithilfe der Software VirtualDub den Zeitpunkt der Landung und des Abhebens jedes Fußes Einzelbild für Einzelbild. Dies ist eine äußerst sorgfältige Arbeit, da die Analyse jedes einzelnen Bildes zu neuen Entdeckungen führen kann.

Die Ergebnisse zeigten, dass Flusspferde bei allen Geschwindigkeiten hauptsächlich trabten. Bei Höchstgeschwindigkeit erreicht die Schrittfrequenz eines Nilpferds 3,2 Mal pro Sekunde und seine Schrittlänge übersteigt 2 Meter. Beim schnellsten Lauf verlassen alle vier Beine gleichzeitig den Boden, was zu einer kurzen Schwebephase führt. Die Zeit, die sie in der Luft verbringen (das heißt, die Zeit, in der alle vier Gliedmaßen gleichzeitig vom Boden abgehoben sind) beträgt etwa 15 %.

Das Nilpferd befindet sich in der Luft, ohne dass eines seiner Gliedmaßen den Boden berührt

(Bildquelle: Dokument 1)

Woher wissen Wissenschaftler also, dass Flusspferde den Trab verwenden? Was ist eine Trabgangart? Bei Landsäugetieren gibt es unabhängig von ihrer Geh- oder Laufart hauptsächlich die folgenden Gangarten: Schrittgang, Trabgang, Galoppgang, Laufgang, Sprunggang, Seitwärtsgang und Taumelgang.

Einfach ausgedrückt berührt beim Gehen jeder Fuß zu einem anderen Zeitpunkt den Boden, wobei sich normalerweise abwechselnd das linke Vorderbein, das rechte Hinterbein, das rechte Vorderbein und das linke Hinterbein bewegen. Der Gang des Gehens bietet die größte Stabilität, da zu jedem Zeitpunkt immer drei Füße den Boden berühren.

GangartBlauer Punkt: linkes VorderbeinRoter Punkt: rechtes VorderbeinGrüner Punkt: linkes HinterbeinRotes umgekehrtes Trapez: rechtes Hinterbein

(Bildquelle: Crowspath)

Der Trab ist eine diagonale Gangart, bei der zwei diagonale Füße, beispielsweise das linke Vorderbein und das rechte Hinterbein, gleichzeitig den Boden berühren, gefolgt von den beiden anderen diagonalen Füßen (dem rechten Vorderbein und dem linken Hinterbein). Diese Gangart schafft ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Stabilität und eignet sich für Bewegungen mit mäßiger Geschwindigkeit.

Jogging-Gangart

(Bildquelle: Crowspath)

Der Laufstil ist eine schnellere Form der Fortbewegung, die typischerweise eine phasenweise Bewegung der Vorder- und Hinterbeine mit einer Phase in der Luft umfasst. Diese Gangart ist an schnelle Bewegungen angepasst und wird häufig verwendet, um Bedrohungen zu entkommen oder sich schnell fortzubewegen.

(Bildquelle: Crowspath)

Ein Tier kann mehrere Gangarten haben, beispielsweise kann ein Hund einen gemütlichen Schritt, einen schnelleren Trab, einen Galopp und einen schnelleren Galopp haben. Natürlich ist es nicht ausgeschlossen, dass der Hund sich für eine springende Gangart entscheidet, wenn er glücklich ist. Das Gleiche gilt für Katzen.

Unterschiedliche Gangmuster bei Hunden

(Bildnachweis: The Canine Fitness Centre)

Tiere wie dieses, die mehrere Gangarten haben können, sind im Allgemeinen klein, sehr flexibel und können sich an eine Vielzahl von Gangmustern anpassen, um mit unterschiedlichen Umgebungen und Bedürfnissen zurechtzukommen. Diese Tiere benötigen unterschiedliche motorische Fähigkeiten für die Jagd, die Flucht vor Raubtieren und soziale Interaktionen.

Darüber hinaus verfügen sie über einige spezifische Vorteile in ihrer physiologischen Struktur und Anatomie, wie etwa eine flexible Gelenkstruktur, ein relativ großes Verhältnis der Beinlänge zur Körperlänge, eine starke kardiopulmonale Funktion usw. Die ersten beiden haben eine größere Wirkung. Die flexibleren Gelenke ermöglichen einen größeren Bewegungsspielraum der Gliedmaßen. Die Schulter- und Hüftgelenke von Hunden sind äußerst flexibel, sodass sie sich schnell drehen und die Gangart ändern können.

Die Beine machen einen relativ großen Anteil der Körperlänge aus, vereinfacht gesagt handelt es sich um die Länge der Beine. Tiere mit langen Beinen machen bei jedem Schritt normalerweise größere Schritte, was bedeutet, dass sie längere Strecken zurücklegen können, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit laufen müssen.

Hund im Laufzustand

(Bildquelle: thepackinmethodcc)

Aufgrund der Körperstruktur einiger Tiere können diese nur über weniger Gangarten verfügen, und manche Tiere verwenden in ihrem ganzen Leben nur eine Gangart. Beispielsweise trabt unsere Hauptfigur, das Nilpferd, hauptsächlich, und zwar wegen seiner kurzen Beine (im Verhältnis zu seiner Körperlänge).

Das Flusspferd ist das fünftgrößte Landsäugetier der Erde. Ausgewachsene Flusspferde wiegen typischerweise zwischen 1.500 und 3.800 kg. Aufgrund dieser enormen Größe werden seine Knochen und Gelenke stark belastet, was seine Fähigkeit zur Übernahme unterschiedlicher Gangmuster einschränkt.

(Fotoquelle: Charm Hathan)

Darüber hinaus sind die Gliedmaßen des Nilpferds relativ kurz und kräftig, was ihm zwar einen starken Halt gibt, seine Fähigkeit, sich schnell fortzubewegen, jedoch einschränkt. Im Allgemeinen beträgt die durchschnittliche Beinlänge eines erwachsenen Flusspferds 1,7 Meter (vom Schultergelenk bis zur Zehe) und die durchschnittliche Körperlänge 4 Meter. Dann machen die Beine des Nilpferds 42,5 % seiner Körperlänge aus.

Verglichen mit dem Beagle, der mehrere Gangarten hat, beträgt seine durchschnittliche Beinlänge 57 cm und seine durchschnittliche Körperlänge 70 cm. Das bedeutet, dass die Beinlänge des Beagles 81,4 % seiner Körperlänge ausmacht und damit offensichtlich viel größer ist als die Beinlänge des Nilpferds.

Manche mögen sagen, dass dies unfair sei und dass die beiden Tiere zu unterschiedlich seien. Nehmen wir das Nashorn, das ebenfalls auf dem afrikanischen Kontinent vorkommt und eine ähnliche Größe aufweist. Am Beispiel des Breitmaulnashorns (Ceratotherium simum) beträgt die durchschnittliche Beinlänge eines erwachsenen Breitmaulnashorns 2 Meter und die durchschnittliche Körperlänge 3,8 Meter. Dann beträgt die Beinlänge des Breitmaulnashorns 52,6 % seiner Körperlänge, was etwas größer ist als die Beinlängenproportion des Nilpferds.

Breitmaulnashorn

(Bildquelle: Wikipedia)

Dieser Unterschied führt dazu, dass Nashörner ein Gangmuster mehr haben als Flusspferde. Forschungsergebnissen zufolge weisen Nashörner an Land zwei Hauptgangarten auf: den Schritt und den Lauf. In der Arbeit verwendeten die Wissenschaftler auch Beobachtungsdaten, um zu beweisen, dass Flusspferde unabhängig von ihrer Geschwindigkeit traben.

Bei der Ganganalyse von Tieren sind die Standphase und die Schwungphase zwei Schlüsselzyklen, die die verschiedenen Stadien der Gliedmaßen in einem vollständigen Gangzyklus beschreiben. Die Standphase ist der Teil des Gangzyklus, in dem die Füße des Tieres den Boden berühren und den Körper stützen und vorwärts treiben. Die Schwungphase ist ein weiterer Teil des Gangzyklus, bei dem der Fuß des Tieres den Boden verlässt und nach vorne schwingt, um sich auf den nächsten Bodenkontakt vorzubereiten.

Ein vollständiger Gangzyklus umfasst eine Standphase und eine Schwungphase. In der Ganganalyse wird üblicherweise der Duty Factor (DF) verwendet, um den Anteil der Standphase am gesamten Gangzyklus zu beschreiben: Die Berechnungsformel lautet DF = Standphasenzeit/Gangzykluszeit.

Wenn der DF-Wert deutlich über 0,5 liegt, deutet dies auf einen Gehgang hin; wenn der DF-Wert deutlich unter 0,5 liegt, deutet dies auf einen Laufgang hin; schwankt er zwischen 0,5 und 1,5, deutet dies auf einen Jogginggang hin.

Die meisten Datenpunkte für Flusspferde zeigen, dass ihre DF-Werte nahe oder knapp unter 0,5 liegen, was darauf hindeutet, dass ihre primäre Gangart der Trab ist. Obwohl das Nilpferd seine Schrittlänge nicht wesentlich erhöhen kann, um schneller zu werden, kann es seine Schrittfrequenz (von 0,17 Hz auf 3,2 Hz) erhöhen, um schneller zu werden.

Aber egal was passiert, dem Joggen sind Grenzen gesetzt. Ein Nilpferd kann an Land mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 Kilometern pro Stunde traben und diese Geschwindigkeit kann nur für kurze Zeit aufrechterhalten werden. Das Breitmaulnashorn kann über kurze Distanzen eine Geschwindigkeit von bis zu 55 Kilometern pro Stunde erreichen (diese Geschwindigkeit kann nur für kurze Zeit aufrechterhalten werden). Unabhängig davon sind lange Beine bei ähnlichem Gewicht immer noch flexibler als kurze Beine und Laufen ist immer noch schneller als Traben. Dies zeigt auch, dass zwischen Abheben und Laufen kein notwendiger Zusammenhang besteht. Auch beim Joggen ist ein Abheben möglich, allerdings ist hierfür eine höhere Geschwindigkeit erforderlich.

Obwohl niemand speziell die Zeit untersucht hat, die ein Nashorn beim Laufen in der Luft verbringt, ist es auf der Grundlage der Definition des Laufgangmusters und des Trabmusters (DF-Wert) sicher, dass seine Zeit in der Luft definitiv länger ist als die eines Nilpferds.

Es ist nicht so gut wie es, aber besser als es. Größere Elefanten können nie mit beliebiger Geschwindigkeit in der Luft sein, da sie zu schwer sind und ihre Gliedmaßen den Bodenkontakt halten müssen, um ihren Körper zu stützen. 15 % der Zeit in der Luft sind für ein Nilpferd jedenfalls noch nicht einfach, da es lange Beine hat und der Anteil der Zeit in der Luft kurz ist.

Quellen:

1.Hutchinson JR, Pringle E V. Schrittmuster und Schrittparameter des Flusspferds (Hippopotamus amphibius) an Land[J]. PeerJ, 2024, 12: e17675.

2.Ren L, Hutchinson J R. Die dreidimensionale Bewegungsdynamik afrikanischer (Loxodonta africana) und asiatischer (Elephas maximus) Elefanten zeigt einen sanften Gangübergang bei mäßiger Geschwindigkeit[J]. Journal of the Royal Society Interface, 2008, 5(19): 195-211.

3.Inuzuka N. Vorstudie zur kinematischen Ganganalyse bei Säugetieren[J]. Mammal Study, 1996, 21(1): 43-57.

4.Panagiotopoulou O, Pataky TC, Hutchinson J R. Fußdruckverteilung bei Breitmaulnashörnern (Ceratotherium simum) beim Gehen[J]. PeerJ, 2019, 7: e6881.