Schmalbrüstige Riesen
Bianca Hohn berechnet mit Ingenieurmethoden den Schultergürtel
von langhalsigen Pflanzen fressenden Dinosauriern
„Form und Funktion bilden auch in der Natur
immer eine Einheit“, sagt Bianca Hohn mit Blick
auf den ca. zehn Tonnen schweren Dinosaurier Diplodocus
longus, um den ihre Doktorarbeit kreist. Genauer gesagt
kreist sie um seinen Schultergürtel. Obwohl man einige
gut erhaltene Skelette dieser prähistorischen Riesen
gefunden hat, ist ihr Aufbau noch immer ein Rätsel.
Denn eine knöcherne Verbindung der Schultern mit
der Wirbelsäule und somit dem Rest des massigen Körpers
gibt es nicht – wie übrigens auch bei keinem
anderen an Land lebenden Wirbeltier. Gäbe es sie,
würde dies die Möglichkeiten der Fortbewegung
massiv einschränken.
Es müssen also Muskeln und Bänder gewesen sein,
die den Schultergürtel in Form gehalten und für
die Kraftübertragung des enormen Gewichts gesorgt
haben. Aber wie waren diese Knochen angeordnet? In den
Museen findet man die unterschiedlichsten Skelettaufbauten,
teils vorn so weit geöffnet, dass ein Mensch dazwischen
passt (s. Abb.). Ist das realistisch? Wo waren die Muskeln
angewachsen? An diesen Fragen scheiden sich die Geister.
Bis vor etwa 100 Jahren stellte man sich vierbeinige Dinosaurier
breitbeinig wie heutige Krokodile vor, eine inzwischen
überholte Ansicht, denn wer je Liegestütze machen
musste, der weiß, wie schlecht sich das eigene Gewicht
mit angewinkelten Armen trägt, wenn man größer
ist als ein Krokodil. Die Vorderbeine werden also unter
dem Körper positioniert gewesen sein. Aber wo die
Elemente der Schulter, die bei allen Reptilien aus dem
Schulterblatt und dem Rabenbein besteht? Wo die Brustbeinplatten?
Diese zwei Knochenplatten findet man immer lose in der
Nähe des Brustkorbs; sie entsprechen unserem Brustbein,
sind aber nicht knöchern angewachsen.
Spannung fördert Knochenbildung
Rätsel, die Bianca Hohn in den Jahren ihrer Doktorarbeit
schon schlaflose Nächte bereitet haben. Inzwischen
ist sie nahe daran, sie zu lüften. Unterstützt
mit einem Stipendium der Wilhelm und Günter Esser
Stiftung läuft sie gerade auf der Zielgeraden ihres
Dissertationsprojekts ein, das sie durch die verschiedensten
Fachbereiche und in die Tiefen der Ingenieurswissenschaften
geführt hat. Von Haus aus ist sie Biologin. Nach
einer Diplomarbeit über die Marken von Muskeln
am menschlichen Skelett bewarb sie sich auf eine Stellenausschreibung
in der DFG-Forschergruppe 533 „Biology of the
Sauropod Dinosaurs: The Evolution of Gigantism“,
eigentlich in Bonn beheimatet. Beteiligt daran sind
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Witzel, RUB- Maschinenbauer und
Prof. Dr. Holger Preuschoft, ehemalig aus der RUB-Medizin.
Das verbindende Element zwischen ihnen ist die funktionelle
Betrachtung des Skeletts und die Finite-Element Methode
(FEM). Diese Rechenmethode, mit der sich Spannungen
und Verformungen in Körpern unter Belastungen simulieren
lassen, wurde zunächst in den Ingenieurwissenschaften
genutzt, etwa bei der Planung von Bauten und Autokarosserien.
Irgendwann kamen Mediziner auf den Geschmack, denn auch
die Belastung von Knochen und orthopädischen Implantaten
lässt sich damit berechnen. Mit Bianca Hohn ist
die Reihe nun an den Biologen bzw. den Paläontologen
und der Rekonstruktion von Anatomie und Bewegung bei
Dinosauriern.
„Unsere Annahme ist, dass sich Knochen immer dort
bildet, wo mechanische Spannungen wirken“, erklärt
Bianca Hohn. „Wo Knochen nicht belastet wird,
bildet er sich zurück – ein Umstand, vom
dem Astronauten nach langer Abwesenheit in der Schwerkraft
ein Lied singen können. Die Natur erhält keine
überflüssigen Strukturen.“ Um diese
Hypothese zu belegen, ließ Prof. Witzel schon
vor Jahren die Entstehung des menschlichen Schädels
im Computer simulieren, indem er einen groben Umriss
anlegte und die verschiedenen Kaukräfte der Muskeln
und die Schwerkraft darauf einwirken ließ. Durch
eine Reduktion der Form auf die Bereiche, welche hohe
Druckspannungen aufwiesen, ließ sich auf diese
Weise in mehreren Schritten eine Schädelform herauskristallisieren,
die mit der unseren verblüffend übereinstimmt.
Wurst auf vier Beinen
Ähnliche Berechnungen stellt Bianca Hohn nun für
den rätselhaften Saurierschultergürtel an.
Kompliziert werden diese durch die Anzahl der Einzelteile
und ein komplexes Zusammenspiel der zahlreichen Muskelkräfte.
„Anfangs habe ich eine Wurst auf Stelzen gestellt“
beschreibt sie ihre ersten Versuche. Schon hier ließ
sich erkennen, wo sich Spannungen im Rumpf bilden, wenn
sich die „Wurst“ auf vier Beinen fortbewegen
möchte. Klar wurde auch sofort, dass es ohne eine
funktionelle Verbindung zwischen den einzelnen Teilen
unmöglich ist, als tonnenschwerer Saurier zu stehen
oder zu laufen.
Inzwischen hat sie ihre Simulation erheblich verfeinert.
Anhand von sog. Muskelmarken – Spuren, die die
Muskeln im Knochen hinterlassen – Massenschätzungen
für den gesamten Dinosaurierkörper und Vergleichen
mit den nächsten lebenden Verwandten der Dinosaurier
– Reptilien und Vögeln – entwickelte
sie eine Theorie eines wahrscheinlichen Aufbaus der
Körperregion. Dabei befinden sich die beiden Brustbeinplatten
zwischen den vorn sehr eng zusammenstehenden Schultern,
eingebettet in eine Knorpelplatte, in der auch die Rippen
zusammenlaufen (Abb.). Dann ging es darum, die Kräfte
der einzelnen Muskeln und des Körpergewichts im
Bereich der Gelenke ins Gleichgewicht zu bringen.
Nachdem diese Verhältnisse geklärt waren und
Bianca Hohn ein stimmiges Modell entwickelt hatte, kam
die Simulation mit Hilfe der Finite-Element Methode
ins Spiel. Bianca Hohn legte einen grob umrissenen Rumpf
als „Bauraum“ an, integrierte Koordinaten
für die Knochen und Ansatzstellen der Muskeln.
Wie ein Marmorblock, aus dem der Bildhauer einen Saurierknochen
herausarbeiten will, mutet die Darstellung an (Abb.).
Dann ließ sie die Kräfte wirken. Schritt
für Schritt schält sich nun aus dem Block
die Form der Knochen heraus – und es sieht gut
aus für eine Übereinstimmung mit den prähistorischen
Funden. Die Feinarbeit muss noch erledigt werden, dann
wird die Theorie für den Aufbau des Schultergürtels
hieb- und stichfest sein.
Und dann? „Am liebsten weitermachen!“ Bianca
Hohn ist in Gedanken schon weiter, plant Untersuchungen
am Scheideweg der Evolution zwischen den Sauriern mit
einem Reptilienbecken, wie dem hier bearbeiteten Sauropoden
und denen mit einem Vogelbecken, an denen sich riesengroße
und weniger riesengroße Saurier voneinander entfernt
haben – vielleicht sogar wegen Unterschieden im
Schultergürtel? Ein Projektantrag liegt schon in
der Schublade und würde sich prima mit dem einer
Kollegin ergänzen, die auch nach Bochum kommen
würde, und die Simulationsmethode könnte man
auch noch verfeinern …
PS: Die weiteren mit dem Esser-Preis
prämierten Forschungsprojekte stellen wir in den
kommenden RUBENS-Ausgaben vor.
md
|
