Die Knochenanpassung bei schweren Tieren verstehen
Die Beine eines Elefanten halten eine Menge Belastung aus. Diese übergroßen Pflanzenfresser können bis zu sechs Tonnen wiegen, wobei ihre Knochen dieses Gewicht tragen müssen. Wie andere große Wirbeltiere haben auch sie morphofunktionelle Anpassungen durchlaufen, um ihrem hohen Gewicht gerecht zu werden. Dieses Phänomen wird als graviportal bezeichnet. „Erstaunlicherweise sind die mit der Graviportalität einhergehenden adaptiven Veränderungen ungeachtet ihrer vermeintlichen Bedeutung nur sehr wenig erforscht“, erklärt Alexandra Houssaye vom Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung in Frankreich (CNRS), Forschungsleiterin am Nationalmuseum für Naturgeschichte in Paris und Koordinatorin des Projekts GRAVIBONE. Im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts GRAVIBONE untersuchten die Forschenden die mit dem hohen Gewicht verbundenen Veränderungen der inneren und äußeren Strukturen der Knochen, um zu erkunden, wie sie sich gemeinsam entwickelt haben. „Wir haben die Gliedmaßenknochen der schwersten Landwirbeltiere der Gegenwart, von Elefanten, Nashörnern und Flusspferden, und von vergleichsweise weniger massiven Säugetieren wie Hornträgern und Tapiren analysiert“, sagt Houssaye. „Außerdem haben wir Analysen verschiedener Dinosaurier angestellt.“
Die tierischen Giganten der Vergangenheit studieren
Zwar gibt es heute nur noch wenige große schwere Arten, doch in den fossilen Funden wimmelt es nur so von sehr unterschiedlichen Exemplaren aus der Vergangenheit. Mithilfe der geometrischen 3D-Morphometrie analysierte das Team die äußere Form zahlreicher Knochen im Detail, nachdem es die 3D-Modelle im Labor rekonstruiert hatte. „Diese 3D-Modelle werden der wissenschaftlichen Gemeinschaft in Online-Archiven zur Verfügung gestellt“, fügt Houssaye hinzu. In den Naturkundemuseen in London und Paris wurden außerdem Analysen der inneren Struktur der Knochen mittels Mikrocomputertomografie durchgeführt. Anschließend realisierte das Team 3D-Analysen der inneren Struktur gesamter Knochen, wozu ein innovativer, im Labor ausgearbeiteter Ansatz diente. Mithilfe biomechanischer Analysen von Muskeldaten erstellten die Fachleute ein biomechanisches Modell für die Gliedmaßen von Nashörnern und sie analysierten strukturelle Merkmale im Hinblick auf mechanische Einschränkungen, um die Beziehungen zwischen Form und Funktion deutlich und detailliert zu charakterisieren.
Verdickte Knochenrinde und starke Säulen
Das Team beschrieb detailliert die äußeren und inneren Anpassungen in den Röhrenknochen der Gliedmaßen von modernen und fossilen Laufriesen wie etwa Nashörnern. Es wurde nachgewiesen, dass die Knochen der Vordergliedmaßen, insbesondere die Speiche, bei diesen Arten stärker beeinflusst werden. Der Schabrackentapir, der mehr als 300 kg wiegen kann, weist eine deutliche Verdickung der kompakten Knochenrinde im Inneren seiner Röhrenknochen auf, die viel stärker ist als beim Banteng und beim Bison, die doppelt so viel wiegen, und auch als bei Nashörnern. „Hier zeigt sich, dass sich die innere Struktur der Knochen dieser Art spezialisieren muss, um die begrenzten morphologischen Veränderungen auszugleichen und das relativ hohe Gewicht dieser Tapirart zu tragen“, erklärt Houssaye. Die schwersten Formen – Elefanten und in stärkerem Maße Sauropoden (wie Diplodocus oder Brachiosaurus) – haben weniger massive Röhrenknochen und weisen überraschenderweise eine recht geringe Verdickung der Knochenrinde auf. Dies deutet darauf hin, dass es aufgrund der säulenartigen Anordnung ihrer Gliedmaßen weniger notwendig ist, die äußeren und inneren Strukturen der Knochen zu verstärken.
Neue Säulendesigns nach biologischem Vorbild
Die Ergebnisse geben nicht nur Aufschluss über die Form, Bewegung und Haltung ausgestorbener Taxa wie der Dinosaurier, sondern gestatten auch ein allgemein besseres Verständnis der Knochenanpassung. „Auf diese Weise könnte eine bessere Charakterisierung von adaptiven Merkmalen und der Fortbewegung in der modernen Fauna erfolgen, aber auch eine besseren Nutzung dieser Form-Funktions-Beziehungen in der Medizin ist denkbar“, stellt sie fest. Das Team erarbeitete außerdem von der Biologie und der Paläobiologie inspirierte Projekte, bei denen Ideen im Zusammenhang mit den Knochen schwerer Tiere aufgegriffen wurden, um widerstandsfähigere Säulen mit weniger Material zu bauen.
Schlüsselbegriffe
GRAVIBONE, Knochen, Elefanten, Pflanzenfresser, Fossil, Cortex, Knochenrinde, Gliedmaßen, Strukturen, nach biologischem Vorbild, Giganten, Riesen