Um den Grund für diese Anomalie herauszufinden, hat ein internationales Forscherteam eine Studie durchgeführt, um zu untersuchen, wie die Muskelfähigkeiten die Höchstgeschwindigkeit von Landtieren begrenzen.
Die Laufgeschwindigkeit hat zwei unterschiedliche Grenzen
«Die schnellsten Tiere sind weder grosse Elefanten noch winzige Ameisen, sondern Tiere von mittlerer Grösse wie Geparden», sagt der Hauptautor David Labonte, Experte für Bioengineering. «Warum bricht die Laufgeschwindigkeit mit den regelmässigen Mustern, die die meisten anderen Aspekte der Anatomie und Leistung von Tieren bestimmen?»
Die Untersuchungen zeigen, dass die maximale Laufgeschwindigkeit nicht durch einen einzigen Faktor begrenzt wird, sondern durch zwei verschiedene Grenzen, die mit der Muskelfunktion zusammenhängen: die Geschwindigkeit der Muskelkontraktion und das Ausmass der Muskelverkürzung während einer Kontraktion. Die Höchstgeschwindigkeit eines Tieres wird durch die erste Grenze begrenzt, die von der Grösse des Tieres abhängt.
«Tiere, die etwa so gross sind wie ein Gepard, befinden sich in einem physischen idealen Punkt bei etwa 50 kg, wo diese beiden Grenzen zusammenfallen. Diese Tiere sind folglich die schnellsten und erreichen Geschwindigkeiten von bis zu ca. 105 km/h, erklärt Mitautor Christofer Clemente.
Tiergrösse und Laufgeschwindigkeit
In der Studie werden zwei theoretische Grenzen eingeführt: die «Grenze der kinetischen Energiekapazität» für kleinere Tiere, die durch die Geschwindigkeit, mit der sich ihre Muskeln zusammenziehen können, begrenzt wird, und die «Grenze der Arbeitskapazität» für grössere Tiere, die durch das Ausmass, in dem sich ihre Muskeln zusammenziehen können, eingeschränkt wird.
«Für grosse Tiere wie Nashörner oder Elefanten kann sich das Laufen anfühlen, als ob sie ein enormes Gewicht heben müssten, weil ihre Muskeln relativ schwächer sind und die Schwerkraft einen grösseren Aufwand erfordert», so Mitautor Peter Bishop, Postdoktorand in Organismischer und Evolutionsbiologie in Harvard.
Physikalische Prinzipien für die Evolution der Muskeln
Das Modell des Teams, das anhand von Daten von mehr als 400 Arten unterschiedlicher Grösse getestet wurde, konnte die Unterschiede in der maximalen Laufgeschwindigkeit im Tierreich genau vorhersagen und so die zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien für die Muskelevolution aufzeigen.
Diese Erkenntnisse könnten möglicherweise zur Entwicklung von Robotern führen, die die Athletik der besten Läufer der Natur nachahmen.
Muskelmasse der Gliedmassen und Körpergewicht
Darüber hinaus wirft das Modell ein Licht auf die Unterschiede zwischen den einzelnen Tiergruppen. So könnte beispielsweise die im Verhältnis zum Körpergewicht geringere Muskelmasse der Gliedmassen von Reptilien erklären, warum grössere Reptilien tendenziell kleiner und langsamer sind als grosse Säugetiere.
«Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass die Muskeln der Gliedmassen im Verhältnis zum Körpergewicht einen geringeren Anteil am Körper von Reptilien ausmachen, was bedeutet, dass sie bei einem geringeren Körpergewicht an die Arbeitsgrenze stossen und daher klein bleiben müssen, um sich schnell bewegen zu können», so der Mitautor der Studie, Taylor Dick, ein Dozent für Biomedizin in Queensland.
Muskelphysiologie von massigen Tieren
Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass die grössten heute lebenden Landsäugetiere wie der Afrikanische Elefant weit unter der theoretischen Gewichtsgrenze liegen, ab der Landtiere unbeweglich wären.
Dies lässt Zweifel an der muskulären Anatomie ausgestorbener Giganten wie dem Patagotitan aufkommen, der wahrscheinlich mehr als 40 Tonnen wog, und veranlasst zu weiteren Untersuchungen ihrer einzigartigen physiologischen Anpassungen.
«Unsere Studie wirft viele interessante Fragen über die Muskelphysiologie sowohl ausgestorbener als auch heute lebender Tiere auf, einschliesslich menschlicher Athleten. Physikalische Einschränkungen betreffen schwimmende und fliegende Tiere ebenso wie laufende Tiere – und diese Grenzen zu entschlüsseln, steht als Nächstes auf unserer Agenda», so Labonte abschliessend.
Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
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