Weder flinke Füße, noch lange Beine: Studie erklärt, warum Geparden so schnell sind

Im Tierreich gibt es einen großen Widerspruch. Während viele Eigenschaften wie Kraft, Beinlänge, Lebenserwartung und Gehirngröße mit der Größe der Tiere zunehmen, ist die maximale Laufgeschwindigkeit bei mittelgroßen Tieren wie Geparden tendenziell am höchsten.

Um herauszufinden, warum das so ist, entwickelte ein internationales Forscherteam ein physikalisches Modell, welches zeigt, wie die Muskeln als universeller Motor die Höchstgeschwindigkeit von Landtieren begrenzen.

„Die schnellsten Tiere sind weder große Elefanten noch winzige Ameisen, sondern Tiere von mittlerer Größe wie Geparden. Warum bricht die Laufgeschwindigkeit mit den regelmäßigen Mustern, die die meisten anderen Aspekte der Anatomie und Leistung von Tieren bestimmen?“, fasst Hauptautor Dr. David Labonte vom Imperial College London die Kernfrage zusammen.

Geparden erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 100 Kilometer pro Stunde. Foto: iStock

Das Ergebnis: Es scheint nicht nur – wie bislang angenommen – eine Grenze für die maximale Laufgeschwindigkeit zu geben, sondern zwei. So ist es entscheidend, wie schnell und wie weit sich die Muskeln zusammenziehen. Die Höchstgeschwindigkeit, die ein Tier erreichen kann, hängt also davon ab, welche Grenze zuerst erreicht wird – und diese Grenze wird von der Größe des Tieres bestimmt.

„Der Schlüssel zum Verständnis ist, dass die maximale Laufgeschwindigkeit sowohl durch die Geschwindigkeit, mit der sich die Muskeln zusammenziehen, als auch dadurch begrenzt wird, wie stark sie sich zusammenziehen können“, erklärt Mitautor Prof. Christofer Clemente von der University of Queensland. „Tiere von der Größe eines Geparden befinden sich an einem physischen Punkt, wo diese beiden Grenzen zusammenfallen. Somit sind sie die schnellsten Tiere und erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 100 Kilometer pro Stunde.“

Grenzen austesten

Die erste, sogenannte „Grenze der kinetischen Energiekapazität“ deutet darauf hin, dass die Muskeln kleinerer Tiere dadurch eingeschränkt werden, wie schnell sie sich zusammenziehen können. Da kleine Tiere im Verhältnis zu ihrem Gewicht große Kräfte erzeugen, ist das Laufen für ein kleines Tier in etwa so, als würde man versuchen, in einem niedrigen Gang zu beschleunigen, wenn man bergab fährt.

Die zweite, sogenannte „Arbeitskapazitätsgrenze“ besagt, dass die Muskeln größerer Tiere dadurch eingeschränkt werden, wie weit sich ihre Muskeln zusammenziehen können. Da große Tiere schwerer sind, erzeugen ihre Muskeln im Verhältnis zu ihrem Gewicht weniger Kraft. Somit gleicht das Laufen eher dem Versuch, beim Radfahren in einem hohen Gang einen Hügel hinaufzubeschleunigen.

„Für große Tiere wie Nashörner oder Elefanten kann sich das Laufen anfühlen, als ob sie ein enormes Gewicht heben müssten, weil ihre Muskeln relativ schwach sind und die Überwindung der Schwerkraft einen größeren Aufwand erfordert. Beides hat zur Folge, dass die Tiere langsamer werden müssen, wenn sie größer werden“ erklärt Mitautor Dr. Peter Bishop von der Harvard University.

Ein Breitmaulnashorn schafft mit seinem Gewicht von bis zu 2.300 Kilogramm nur eine Geschwindigkeit von 50 Kilometer pro Stunde. Foto: iStock

Schnelligkeit lebenswichtig für Geparden

Um die Genauigkeit ihres Modells zu testen, verglich das Team seine Vorhersagen mit Daten über Geschwindigkeit und Größe von 400 Landtierarten – einschließlich Vögel, Eidechsen, Spinnen und Insekten.

Das Modell sagte genau voraus, wie die maximale Laufgeschwindigkeit mit der Körpergröße von Tieren variiert, die sich in ihrer Körpermasse um mehr als zehn Größenordnungen unterscheiden – von winzigen 0,1-Milligramm-Milben bis zu sechs Tonnen schweren Elefanten.

Ein Afrikanischer Elefant wiegt bis zu 6,6 Tonnen und schafft eine Spitzengeschwindigkeit von 40 Kilometer pro Stunde. Foto: iStock

Die Ergebnisse der Studie geben damit Aufschluss über die physikalischen Prinzipien, die der Entwicklung der Muskeln zugrunde liegen. Dies könnte später als Grundlage für die Entwicklung von Robotern dienen, die der Athletik tierischer Spitzenläufer nachempfunden ist.

Sie könnten auch wichtige Hinweise für das Verständnis von Unterschieden zwischen Tiergruppen liefern. Große Reptilien, wie Eidechsen und Krokodile, sind im Allgemeinen kleiner und langsamer als große Säugetiere.

„Eine mögliche Erklärung dafür könnte sein, dass der Anteil der Gliedmaßenmuskulatur am Körpergewicht der Reptilien geringer ist. Das bedeutet, dass sie bereits bei einem geringeren Körpergewicht an die Arbeitsgrenze stoßen und daher klein bleiben müssen, um sich schnell bewegen zu können“, sagt Mitautor Dr. Taylor Dick von der University of Queensland.

Der Riesenwaran gilt als schnellstes Reptil der Welt und schafft eine Höchstgeschwindigkeit von 40 Kilometer pro Stunde. Foto: iStock

Dinosaurier sprengen Modell

Außerdem konnte das Modell der Forscher eine weitere wissenschaftliche Grenze aufzeigen. So sagt ihr Modell voraus, dass Landtiere mit einem Gewicht von mehr als 40 Tonnen nicht in der Lage wären, sich zu bewegen. Das schwerste heute lebende Landsäugetier ist der Afrikanische Elefant mit rund 6,6 Tonnen. Doch vor 100 Millionen Jahren lebten Dinos wie die Titanosaurier, die weit mehr als 40 Tonnen wogen.

Laut den Forschern zeigt dieses Ergebnis, dass die Daten von aktuellen, lebenden Tierarten nicht so einfach auf ausgestorbene Tiere übertragen werden können. Stattdessen zeige sich, dass die ausgestorbenen Riesen eine einzigartige Muskelanatomie entwickelt und gehabt haben müssen, die weitere Untersuchungen erfordert.

Die mehr als 40 Tonnen schweren Titanosaurier sprengen das Modell der Forscher. Foto: iStock

Einmal mehr steht damit auch die Diskussion im Raum, wie sich die massiven Dinosaurier fortbewegen konnten. Ebenso stellt sich die Frage, inwieweit eine Datenerhebung zu bestimmten verwandten Tiergruppen, wie Reptilien, nützlich ist.

Doch die Wissenschaftler sind mit ihrer Forschung noch nicht im Ziel angekommen. „Unsere Studie wirft viele interessante Fragen über die Muskelphysiologie sowohl ausgestorbener als auch heute lebender Tiere auf – einschließlich menschlicher Sportler. Physikalische Einschränkungen wirken sich auf schwimmende und fliegende Tiere ebenso aus, wie auf laufende Tiere. Diese Grenzen zu entschlüsseln, steht als Nächstes auf unserer Liste“, so Dr. Labonte abschließend.

Die Studie erschien am 11. März 2024 im Fachjournal „Nature Communications“.