Skelette und Hebel

Jedes Tier, das geht, rennt, schwimmt oder fliegt, ist eine Maschine aus drei Arten von Teilen: Knochen, die seine Form halten, Gelenke, die Bewegungen ermöglichen, und Muskeln, die die Kraft liefern. Zusammengesetzt ergeben sie ein System aus Hebeln. Sobald du ein Körperglied als Hebel betrachten kannst, beginnen das Bein eines Geparden, die Pfote eines Maulwurfs und dein eigener Arm verständlich zu werden.

Muskeln können nur ziehen. Ein Muskel wird kürzer, wenn er aktiviert wird – mehr kann er nicht. Er kann nicht drücken. Um ein Gelenk in beide Richtungen zu bewegen, verwendet der Körper Gegenspielerpaare: zwei Muskeln auf gegenüberliegenden Seiten eines Gelenks. In deinem Oberarm beugt der Bizeps den Ellbogen, und der Trizeps streckt ihn. Wenn einer zieht, entspannt sich der andere.

Ein Muskel ist durch eine Sehne, einen festen Strang aus Fasern, mit einem Knochen verbunden. Wenn sich der Muskel verkürzt, zieht er an der Sehne, die Sehne zieht am Knochen, und der Knochen dreht sich um das Gelenk.

Die Hebelregel. Eine Drehwirkung wird als Moment bezeichnet: Kraft multipliziert mit ihrer senkrechten Entfernung vom Gelenk. Eine ruhig gehaltene Gliedmaße hat gleich große, entgegengesetzte Momente:

F_muscle × d_muscle = F_load × d_load

Der mechanische Vorteil ist MA = d_muscle / d_load. Die meisten Muskeln setzen sehr nah am Gelenk an, daher ist d_muscle klein und MA kleiner als 1. Das bedeutet, dass der Muskel stärker ziehen muss als die Last, die er hält.

Durchgerechnetes Beispiel (vereinfacht). Halte einen 2 kg schweren Beutel mit waagerechtem Unterarm in der Hand. Die Last beträgt 2 kg × 9,81 m/s² ≈ 19,6 N. Angenommen, der Bizeps zieht 4 cm vom Ellenbogen entfernt und der Beutel befindet sich 32 cm vom Ellenbogen entfernt. Dann ist F_muscle = 19.6 N × 0.32 m / 0.04 m ≈ 157 N. Der Muskel zieht etwa achtmal so stark wie das Gewicht des Beutels. (Wir haben das Gewicht des Unterarms selbst nicht berücksichtigt, daher zieht ein echter Muskel etwas stärker.)

Was du aufgibst und was du gewinnst. Derselbe kurze Ansatz, der Kraft kostet, bringt Geschwindigkeit und Bewegungsumfang. Wenn sich der Bizeps um 1 cm verkürzt, bewegt sich die Hand um 8 cm. Die Hand ist achtmal weiter vom Ellbogen entfernt als die Sehne. Deshalb legt sie in derselben Zeit die achtfache Strecke zurück und bewegt sich achtmal so schnell.

Tiere müssen sich also zwischen zwei Möglichkeiten entscheiden. Ein Gliedmaßensystem mit einem kurzen Muskelarm und einem langen Lastarm ist schnell, aber schwach. Eines mit einem langen Muskelarm und einem kurzen Lastarm ist langsam, aber stark. Die Evolution passt dieses Verhältnis an die jeweilige Aufgabe an:

• Ein Läufer wie ein Pferd oder eine Gazelle hat einen langen, leichten Unterschenkel. Für jede kleine Verkürzung des Muskels legt der Fuß eine lange Strecke zurück: Geschwindigkeit.
• Ein Gräber wie ein Maulwurf oder ein Gürteltier hat einen langen Hebel für den Muskel (einen langen knöchernen Fortsatz am Ellbogen, an dem der große Trizeps ansetzt) und kurze, kräftige Knochen in der Pfote. Er tauscht Bewegungsumfang gegen Kraft.

Gleicher Bauplan, andere Aufgaben. Schau in einen menschlichen Arm, den Flügel einer Fledermaus, die Flosse eines Wals und das Bein eines Pferdes. In jedem findest du dieselbe Abfolge von Knochen: einen langen Knochen in der oberen Gliedmaße (den Humerus), zwei in der unteren (den Radius und die Ulna), kleine Handgelenksknochen sowie Knochen für Hand und Finger. Das ist die pentadaktyle Gliedmaße (die „fünffingrige“ Gliedmaße). Die Einzelheiten unterscheiden sich: Das Pferd hat eine lange Zehe, die Fledermaus sehr lange Finger und die Finger des Wals liegen in einer Flosse. Biologen nennen Knochen, die denselben Ursprung haben, unabhängig von ihrer Aufgabe, homologe Strukturen. Sie sind ein Beleg dafür, dass diese Tiere von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen.

Verwechsle das nicht mit einer ähnlich aussehenden Idee. Der Flügel eines Vogels und der Flügel eines Insekts erfüllen dieselbe Aufgabe, bestehen aber aus völlig unterschiedlichen Teilen. Sie sind analoge, nicht homologe Strukturen.