Vor etwa 400 Millionen Jahren entwickelten sich die landlebenden, vierbeinigen Wirbeltiere, die eigentlich Tetrapoden genannt werden, aus ihren Vorfahren der Wasserfische. Frühe, landgängige Tetrapoden – Tiere wie der berühmte Ichthyostega , ein kurzschnäuziges Wassertier, das als Fossilien in 360 Millionen Jahre alten Felsen in Ostgrönland entdeckt wurde – waren scheinbar langsame, ungeschickte Geher, die ihre Körper nahe am Boden hielten und denen es an Beweglichkeit oder Geschwindigkeit mangelte, wenn sie sich an Land fortbewegten.
Jede Analyse der Fossilien deutet darauf hin, dass sie einen sehr ineffizienten Gang haben. Aber wenn wir uns die enorme Vielfalt landlebender Tetrapoden ansehen, die sich später im Laufe der Erdgeschichte entwickelt haben, einschließlich derer, die heute an unserer Seite leben, ist es offensichtlich, dass sich schließlich eine viel größere Beweglichkeit, Geschwindigkeit und Effizienz entwickelt hat.
Angeblich änderten sich die Dinge erst, als sich modernere Tetrapoden entwickelten, wie Reptilien und die Vorfahren der Säugetiere – eine Tetrapodengruppe, die kollektiv als Amnioten bekannt ist. Diese neuen Tiere entwickelten nach und nach energiesparende Posen und die Fähigkeit, ihren Körper über dem Boden zu halten.
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Aber wann tauchten die Schlüsselkomponenten des „fortgeschrittenen Tetrapodengangs“ auf? Und was waren die Schlüsselereignisse, die späteren Tetrapoden ihre Fähigkeit verliehen, schnell und effizient herumzuhuschen, während sie ihre Körper höher über dem Boden halten?
Ein Team wendet sich ausgeklügelter Computermodellierung und Robotik zu, um dies herauszufinden. Unter der Leitung von Prof. John Nyakatura von der Humboldt-Universität zu Berlin konzentrieren sich die Forscher auf Orobates , ein früher Tetrapode, von dem bekannt ist, dass er vor etwa 260 Millionen Jahren in der Region lebte, die später zu Deutschland wurde, und traditionell als den Amnioten nahestehend angesehen wird.
Diese wahrscheinliche evolutionäre Position ist bedeutsam, da sie bedeutet, dass Orobates könnte als Stellvertreter für den amniotischen Vorfahren dienen. Mit anderen Worten, wenn wir mehr über die Biologie und das Verhalten von Orobates erfahren , könnten wir mehr über Amnioten als Ganzes verstehen.
Aber warum Orobates wählen? speziell als Forschungsschwerpunkt, und nicht eine andere Diadektide (die Tetrapodengruppe, zu der Orobates gehört) oder früher Tetrapode?
Erstens ist es durch hervorragend erhaltene, vollständige Überreste bekannt. Über das Skelett von Orobates ist genug bekannt um genau zu rekonstruieren, wie seine Knochen zu Lebzeiten zusammenpassten, und daraus Rückschlüsse auf seine Haltung und Fortbewegung zu ziehen.
Zweitens eine Reihe versteinerter Spuren, die 2007 in derselben Region wie die Orobates gefunden wurden Skelettreste, ist geologisch genau im richtigen Alter und stammt von einem Tier, das zu Orobates passt in Größe und Form. Es wurde mit ziemlicher Sicherheit von Orobates hergestellt selbst, was in der Paläontologie selten und wichtig ist, da es bedeutet, dass wir eine direkte Aufzeichnung darüber haben, wie dieses Tier seine Füße beim Gehen platziert.
Drittens Orobates stammt aus einem besonders interessanten Teil des Stammbaums der Tetrapoden. „Es kann als Schlüsselfossil angesehen werden, da es im Baum des Lebens sehr nahe am Ursprung der Amnioten platziert ist – einer Gruppe, die weitgehend unabhängig von Wasser wurde“, sagt Nyakatura.
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Mach die Fortbewegung
Orobaten war den modernen Amphibien nicht sehr ähnlich, aber es war auch kein Reptil oder ein Verwandter von Säugetieren. „Es war eine mittelgroße Kreatur, etwa 85 cm lang, die eine Mischung aus Merkmalen war, die man grob als amphibien- und reptilienähnliche Merkmale bezeichnen könnte. Ein salamanderartiges, eidechsenartiges Ding“, sagt Teammitglied Prof. John Hutchinson vom Royal Veterinary College in Hertfordshire, Großbritannien.
Nyakatura und seine Kollegen starteten daher ein ehrgeiziges Projekt. Aufbauend auf früheren Arbeiten, die sich mit der Fortbewegung von Salamandern, Krokodilen und anderen Tetrapoden befassten, und Kombinieren der Spurenspuren mit Daten, die von den Orobates gesammelt wurden Skelett, wollten sie Computermodellierung und reale Robotik verwenden, um den Gang und die Körperhaltung von Orobates zu analysieren .
Digitale und reale Roboterskelette könnten individuell an die Strecke angepasst werden und zeigen, wie das Tier seine Füße platziert. Aber welche Art von Gangart wäre erforderlich, um dies genau zu tun? Ihr Ziel war es, die Möglichkeiten zurückzuentwickeln, die diesem Tier zur Verfügung stehen könnten.
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Der für diese Studie konstruierte Roboter ist vielleicht die faszinierendste Komponente der Arbeit und sicherlich der Teil, der die meiste Aufmerksamkeit von den Medien erhalten hat. Es wird OroBOT genannt und verfügt über eine Reihe von Bewegungen in seinen Gliedmaßen und seinem Körper, die die der echten Orobates nachahmen sollen , zahlreiche bewegliche Gelenke, wie sie bei einem echten Tier vorhanden sind, und flexible Füße, die es ihm ermöglichen, bei jedem Schritt den Boden richtig zu berühren. Es wurde sorgfältig entworfen, damit seine Massenverbreitung der eines lebenden Orobates entspricht , und es kann zahlreiche subtile Variationen in Gangart und Pose verwenden.
In Aktion hat OroBOT eine überraschend realistische Luft, bewegt und biegt sich mit einem realen Gefühl und erinnert an den Laufstil einer großen Eidechse oder eines kleinen Krokodils. „Es war ein magischer Moment für uns, als der Roboter zum ersten Mal ging“, sagt Nyakatura. „Der Motor durchlief einige Tests und der Roboter machte etwas, das Liegestützen ähnelte. Dann fing es zum ersten Mal an zu laufen. Diesen Moment werde ich wohl nicht vergessen. Wir haben es sehr genossen.“
Daten von lebenden Tieren können verwendet werden, um zu zeigen, wie effizient bestimmte Gehstile und Körperhaltungen sind. Das Team nutzte Informationen von vier lebenden Tieren
(ein Salamander, ein Skink, ein Leguan und ein Kaiman), um zu bestimmen, welche Körperhaltungen und Posen des OroBOT biologisch am wahrscheinlichsten waren.
Sie maßen auch den Schwerpunkt des Roboters und die Art und Weise, wie er sein Gewicht auf die verschiedenen Segmente seines Körpers verteilte. Das Team hat 512 Gangarten gemessen und sie mathematisch entsprechend ihrer Leistung bewertet, basierend auf unserem Verständnis dessen, was echte Tiere tun.
„Wir haben eine große Anzahl möglicher Gangarten untersucht und diese nach anatomischer Plausibilität und anderen Faktoren bewertet, die alle im Roboter getestet wurden“, sagt Nyakatura.
Einige der Gangarten führten dazu, dass OroBOT das Gleichgewicht verlor, seine Gliedmaßen zusammenschlugen oder seine Gelenke zu stark belasteten, und wurden daher als unwahrscheinlich angesehen, dass sie von dem lebenden Tier benutzt wurden. Außerdem neigen lebende Tiere dazu, Gangarten zu verwenden, bei denen relativ wenig Energie benötigt wird, um ihre Gelenke zu bewegen, sodass Gangarten, die sich als ineffizient herausstellten, ebenfalls als unrealistisch angesehen wurden.
Überraschenderweise bestanden OroBOTs Gangarten mit der höchsten Punktzahl darin, dass er mit einer hohen, aufrechten Haltung ging, bei der sein Körper hoch über dem Boden gehalten wurde und seine Gliedmaßen relativ nahe am Körper gehalten wurden, wenn auch ausgestreckt. Dies ähnelt eher der Gangart von Leguanen und Kaimanen als der von Salamandern und kurzgliedrigen Eidechsen wie Skinks.
Das bedeutet, dass Orobates – und vermutlich auch andere Diadektiden – gingen auf eine effiziente, „moderne“ Weise, die eher an fortgeschrittene Reptilien wie Krokodile erinnerte, nicht mit dem weniger effizienten, scheinbar ungeschickteren Gang, der von früheren Studien angenommen wurde.
Aufrecht gehen
Dies weist darauf hin, dass Tetrapoden relativ früh in ihrer Geschichte, vor der Entwicklung der Amnioten, eine ausgeklügelte, komplexe Art der Fortbewegung an Land entwickelt hatten.
Anstatt plumpe Prototypen von Amnioten zu sein, waren Diadektiden – und vermutlich auch die mit ihnen verwandten Tetrapoden – bereits an Land recht tüchtig, wie die Merkmale ihrer Gangart, Körperhaltung und Leistungsfähigkeit vermuten lassen. Diadektiden und ähnliche Tetrapoden waren, wie es jetzt scheint, wahrscheinlich schneller, effizienter und hatten ein besseres Gleichgewicht und eine bessere Koordination an Land als bisher angenommen.
Das Schöne an dieser Studie ist, dass sie mehrere verschiedene Techniken und Beweisführungen verwendet, um den Gang eines längst ausgestorbenen Tieres zu untersuchen, und zahlreiche Möglichkeiten vorschlägt, von denen einige zufriedenstellendere, realistischere Ergebnisse liefern als andere.
Die Ergebnisse sind überzeugend genug, um zu zeigen, wie zuverlässig und nützlich diese Technik ist, und bedeuten letztendlich, dass die Fortbewegung dieses interessanten und wichtigen frühen Tetrapoden mithilfe von Biorobotik effektiv nachgebaut wurde.
„Wir bieten eine Reihe von Möglichkeiten und stellen einige leistungsstarke Tools und Datensätze bereit, damit andere unsere Ergebnisse replizieren und visualisieren können“, sagt Hutchinson.
„Wir zeigen hoffentlich, wie mehrere Beweislinien – Fußabdrücke, Skelette, digitale Animationen, Experimente mit lebenden Tieren, Roboter und Computersimulationen, im Wesentlichen eine Küchenspüle von Techniken – kombiniert werden können, um in Zukunft ähnliche Fragen mit anderen Organismen anzugehen.“
Was kommt als nächstes? Der Erfolg dieser Technik und von OroBOT selbst bedeutet, dass Arbeiten dieser Art sicherlich auch auf andere alte Tiere angewendet werden, von denen einige aus entscheidenden Teilen der Evolutionsgeschichte stammen oder ungewöhnlich und mysteriös sind, weil sie sich so sehr von lebenden Tieren unterscheiden . „Ich würde gerne sehen, wie jemand das mit einem laufenden Trias-Flugsaurier versucht“, sagt Hutchinson.
- Dieser Artikel wurde zuerst im BBC Science Focus veröffentlicht im April 2019 – hier anmelden