Heute nutzt Ihr Hund seinen Schwanz, um im Kreis zu wedeln, zu zeigen und zu jagen. Aber Schwänze leisten weit mehr: Vor 360 Millionen Jahren halfen sie den ersten Landwanderern, den schicksalhaften evolutionären Übergang von Wasser zu Land zu schaffen. In einer neuen Studie verwendeten die Forscher Stubby-Tail-Roboter, die sich wie amphibische „Schlammspringer“ bewegen sollten, um zu zeigen, dass die ersten Landwanderer möglicherweise ihre Schwänze zur Navigation unter tückischen Küstenbedingungen verwendet haben.
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Die Ergebnisse, die in der dieswöchigen Ausgabe der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurden, könnten bei der Entwicklung von Amphibienrobotern hilfreich sein, die auf schwierigen Oberflächen wie Sand, der um Gliedmaßen fließen und die Bewegung behindern kann, effizient huschen können. (Keine Ahnung, wofür diese flinken Roboter verwendet werden könnten, aber es ist erwähnenswert, dass die Studie teilweise vom US Army Research Office und dem Army Research Laboratory finanziert wurde.)
„Land ist nicht nur harter Beton oder Stein. Es kann aus sandigem und schlammigem lockerem Gelände bestehen, das bei Kontakt fließt, und es ist überhaupt nicht trivial, sich über diese Arten von Materialien zu bewegen “, sagt Studienleiter Daniel Goldman, Biophysiker bei Georgia Tech, der sich auf die Fortbewegung von Tieren spezialisiert hat.
Um mehr über die Fortbewegung früher Landwirbeltiere oder Tetrapoden zu erfahren, untersuchten Goldman und seine Kollegen die Bewegung des afrikanischen Schlammspringers, eines kleinen, amphibischen Fisches, der in küstennahen Gezeitengebieten lebt und seine Zeit sowohl im Wasser als auch auf Sand- und Sandböden verbringt schlammige Oberflächen. Schlammspringer nutzen ihre Flossen, um über Land zu schlendern, und es ist bekannt, dass sie gelegentlich springen, indem sie mit dem Schwanz klopfen.
Die Beobachtungen des Teams ergaben, dass der Schwanz des Schlammspringers für das Bewegen auf ebenen Flächen nur in geringem Maße nützlich ist - er wird jedoch bedeutend wichtiger, wenn sich die Kreatur auf rutschigen Gefällen fortbewegen muss.
Um besser zu verstehen, wie der Schlammspringer seine Flossen und sein Leitwerk gemeinsam einsetzte, verwendeten die Wissenschaftler einen 3D-Drucker, um einen Roboter zu erstellen, der einige der Schlüsselbewegungen der Kreatur nachahmt. Am wichtigsten ist, dass der „MuddyBot“ einen Push-up-Vorgang ausführen und seine vorderen Gliedmaßen nach hinten drücken kann - eine Bewegung, die als „Krücken“ bezeichnet wird - und sein kräftiges Heck in unterschiedlichen Winkeln zum Boden relativ zu seinen Gliedmaßen platzieren kann.
"Es ist nicht das glamouröseste Gerät", sagt Goldman, "aber es ist gut kontrolliert." Wir benutzen einen Roboter, um Wissenschaft zu betreiben und in diesem Fall über Dinge zu sprechen, die vor 360 Millionen Jahren passiert sind. “
Der Roboter hat zwei Glieder und ein kraftvolles Heck, dessen Bewegung von Elektromotoren geliefert wird. (Rob Felt, Georgia Tech) Wie der Schlammspringer brauchte der MuddyBot einen Tritt von seinem Schwanz, um eine 20-Grad-Sandsteigung zu besteigen. Das Heck war auch zum Verankern nützlich, sodass der Roboter nicht rückwärts den Hang hinunter rutschte.
"Durch die Betrachtung von Robotern konnten wir einige der Vorteile der Verwendung von Schwänzen in Kombination mit Gliedmaßen herausgreifen", sagt Goldman. "Insbesondere bei stark geneigten Materialien kann es schnell zu einer Strandung kommen, wenn Sie Ihren Schwanz nicht verwenden."
Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt - kein Wortspiel geplant -, um die mechanischen Prinzipien der frühen Fortbewegung der Tetrapoden und insbesondere die Bedeutung der Schwänze zu verstehen, sagt John Nyakatura, ein Evolutionsbiologe an der Humboldt-Universität zu Berlin, der nicht an der Studie beteiligt war.
"Lange Zeit galt die Salamander-Fortbewegung als das am besten geeignete Modell [für die frühe Tetrapodenbewegung]", sagte Nyakatura, der einen verwandten Artikel über die Erkenntnisse für die Wissenschaft schrieb . "Da Salamander den Schwanz nicht auf diese Weise auf schwierigen Untergründen wie steilen, sandigen Abhängen verwenden, dachte niemand an den Schwanz."
Nyakatura lobte auch die innovativen Methoden des Teams. „Was mir an diesem Papier gefällt, ist, dass es sich auf verschiedene Forschungsansätze stützt: Robotik, Simulationen, Biomechanik lebender Fische“, sagt er. „Insbesondere der Einsatz von Simulationen und Robotern bietet große Möglichkeiten für funktionale Rückschlüsse in der Paläontologie. Mit diesen Ansätzen können Sie einzelne Parameter systematisch variieren. Der gesamte 'Parameterraum' kann erforscht werden, einschließlich Parameterkombinationen, die bei lebenden Tieren nicht beobachtet werden können. “
John Hutchinson, Professor für evolutionäre Biomechanik an der University of London, stimmte dem zu. Der Wechsel von Wasser zu Land "war ein wichtiger Übergang in der Evolution der Wirbeltiere und bereitete die Grundlage für alles, was sich seitdem an Land in der Wirbeltiergruppe abspielte", sagt Hutchinson, der nicht an der Forschung beteiligt war. "Niemand hat jemals Roboter eingesetzt, um Licht in dieses Gebiet zu bringen. Es wird also interessant sein zu sehen, wohin es führt."
