AUS DEM SPIEGEL
Ausgabe 4/2018

Biomechaniker untersuchen Tierbewegungen Ratten stolpern nicht

Zoologen aus Jena röntgen Tiere beim Laufen - um Robotern flüssigere Bewegungen beizubringen.

Ratte in Röntgenanlage: Sie tritt in die Stolperfalle, läuft aber weiter, als wäre nichts gewesen
Nora Klein / DER SPIEGEL

Ratte in Röntgenanlage: Sie tritt in die Stolperfalle, läuft aber weiter, als wäre nichts gewesen

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Die Kamera läuft, Strahler senden ihr gleißendes Licht auf die Bühne, alles ist bereit im ehemaligen Operationssaal. Nur die Diva nicht. Sie ziert sich, muss beruhigt werden von einem Assistenten. Sie ist die Hauptfigur an diesem Wintermorgen in Jena: die Albinoratte Nummer zwei.

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Heft 4/2018
Warum sich SPD, Grüne und Linke neu erfinden müssen

"Wenn die Ratte nicht will, geht gar nichts", sagt Martin Fischer. "Wir sind ja Zoologen und keine Dompteure."

Fischer lässt Tiere auf dem Laufband zwischen zwei Röntgengeräten hindurchlaufen, einer Sonderanfertigung der Firma Siemens. Die Anlage rauscht wie ein Windtunnel, denn die Kühlung ist aufwendig. Schon nach wenigen Minuten muss eine Pause eingelegt werden, damit die Geräte nicht überhitzen.

Wenn Pinscher oder Wachteln über seinen Laufsteg watscheln, filmt Fischer sie mit Hochleistungskameras mit bis zu 2000 Bildern pro Sekunde. Viele Forscher versuchen Ähnliches, indem sie Tiere mit reflektierenden Kugeln bekleben - wie man es auch für Animationsfilme macht, um die Bewegungsmuster zu erfassen. Fischers Bilder dagegen gehen unter die Haut, bis aufs nackte Knochengerüst.

"Falten, Fett und Fell verdecken oft die eigentliche Körpermechanik", sagt Fischer. Sein Interesse gilt den inneren Werten: Gelenken, Muskeln, Sehnen, Nerven.

Eigentlich wollte der gebürtige Schwabe Paläontologe werden und Urzeitknochen studieren. Während des Studiums in Tübingen arbeitete er auch am renommierten Muséum national d'Histoire naturelle in Paris, für ihn eine "Kathedrale der vergleichenden Anatomie". Dort lernte Fischer das detaillierte Zeichnen von Knochen und Muskeln. Sein "Leib-und-Magen-Tier" wurde der Klippschliefer, ein pummeliger Felsbewohner, der aussieht wie ein kleinohriger Hase. Um dessen Bewegungen zu verstehen, nahm Fischer oft Knochen zwischen die Finger und probierte herum, drehte, schob, wendete sie.

Doch wie bewegen sich Tiere wirklich?

Er träumte von einer Art Mehrfachbelichtung aus Innen- und Außenansicht, aus Licht- und Röntgenbild, aus mehreren Perspektiven. Diese Vision wurde wahr, als er vor elf Jahren seine einzigartige Röntgenvideografie-Anlage installieren ließ.

"Okay, röntgen!", ruft Rommy Petersohn, die an einer Konsole im strahlengeschützten Nebenraum die Geräte fernbedient. Die Strahlendosis, die die Tiere abbekommen, fügt ihnen keinen messbaren Schaden zu.

Nummer zwei schnuppert, trippelt über das Laufband in Richtung einer verlockend dunklen Kiste, die Sicherheit verspricht. Auf dem Kontrollbildschirm huscht ein bleiches Gerippe vorüber, scheinbar schwerelos wie ein Geist. "Was wir hier sehen, hat noch niemand gesehen", schwärmt Fischer. Rund ein Gigabyte Daten fällt für ein paar Filmsekunden an.

Wissenschaftler Fischer : "Wir sind Zoologen und keine Dompteure"
Nora Klein / DER SPIEGEL

Wissenschaftler Fischer : "Wir sind Zoologen und keine Dompteure"

Mehr als 53.000 Videoaufnahmen haben Fischer und sein Team gemacht, von Fröschen und Vögeln, Salamandern und Bibern, Affen und Schlangen. Selbst ein Krokodil schob sich schon über den Laufsteg, unter besonderen Sicherheitsvorkehrungen und gelockt von Hühnerschlegeln.

Auch ein Faultier köderten die Forscher mit einem Topf voll Leckereien. Wie in Zeitlupe hangelte sich das Geschöpf kopfüber vorwärts - und Fischer wurde beim Betrachten der Bilder klar: "Die hängende Fortbewegung eines Faultiers sieht ähnlich aus wie der Gang einer Katze - nur eben spiegelverkehrt."

Und wie läuft ein Hund? "Wir stellten fest: Wir wissen es nicht", sagt Fischer. Also lud er Hundezüchtervereine zur Zusammenarbeit ein, mittlerweile hat sein Team mehr als 400 Tiere aus 32 Rassen untersucht.

Ergebnis: "Alle Hunde laufen weitgehend gleich", sagt Fischer, "egal ob Dogge oder Dackel" - trotz eines mitunter vierzigfachen Gewichtsunterschieds. Letztlich sei, was die Motorik betrifft, eben auch der Zwergpinscher ein Wolf. Und dessen Lebensstil stecke den Vierbeinern immer noch buchstäblich in den Knochen: Wölfe überwinden mühelos riesige Distanzen. Gerade erst beobachteten Forscher mithilfe von GPS, wie die wild lebende Jungwölfin Naya von Mecklenburg bis fast nach Brüssel wanderte, 700 Kilometer. "Es gibt zwei Langstreckenläufer, den Wolf und den Menschen", sagt Fischer. "Kein Wunder, dass wir uns zusammengetan haben."

Je länger der Forscher den Tanz der Knochen verfolgt, desto packender findet er ihn. Bewegen sich Hunde wirklich nur in Schritt, Trab und Galopp? Wohl nicht, statt eindeutiger "Gänge" wie ein Auto zeigen sie fließende Übergänge. Und warum haben Pitbullbeine eher einen runden Knochenquerschnitt und Windhundbeine einen ovalen? Das liege an ihrem Verhalten: Ovale Knochen sind für schnelles Laufen optimiert, runde für Richtungswechsel im Kampf.

Fischer ist als Professor für Spezielle Zoologie auch für das altehrwürdige Phyletische Museum zuständig, unweit des Gartenhauses von Friedrich Schiller. Die Decken des Museums sind mit bunten Quallen verziert, durch deren Inszenierung der Gründer Ernst Haeckel zur Kaiserzeit den Jugendstil beeinflusste.

Auch der "Zwischenkieferknochen" eines Rindes ist hier zu bewundern, eine Verbeugung vor Johann Wolfgang von Goethe, der in Jena intensiv forschte und mit solchen Knochen die Verwandtschaft von Mensch und Tier illustrierte. Goethes Augenmerk lag dabei auf der Herkunft - Fischers liegt auf der Zukunft.

"Wir wollen vom Lauf der Ratte lernen", sagt Roger Quinn, Roboterforscher an der amerikanischen Case Western Reserve University. Der Professor ist zu Besuch in Jena, denn einer seiner ehemaligen Studenten ist an der Entwicklung des vierbeinigen "Big Dog" beteiligt, einer Art mechanischer Muli für Militärtransporte.

Staunend steht Quinn jetzt neben der Röntgenkamera. "Rund 60 Muskeln spielen pro Körperseite bei Ratten zusammen", schwärmt er. Aus den Videos wollen er und sein Team ein "neuromechanisches Modell" entwickeln, um Robotern flüssigere Bewegungen beizubringen.

Neben seiner Grundlagenforschung hat sich Fischer zu einem Meister der Drittmittelbeschaffung entwickelt. Er berät Ingenieure bei Firmen wie Audi oder Festo und finanziert auch mal ein Projekt mithilfe eines Herstellers homöopathischer Mittelchen.

Nummer zwei hat sich warm gelaufen, Fischer erschwert nun den Parcours und baut in die Laufstrecke eine zentimetertiefe Falltür ein. Das Erstaunliche: Das Rattenweibchen tritt in die Stolperfalle, huscht aber weiter, als wäre nichts gewesen. Ähnlich machen es Hunde und Vögel.

Die Reaktionsgeschwindigkeit der Beinmuskeln beträgt manchmal nur fünf Millisekunden. "Das ist schneller, als ein Nervenimpuls das Gehirn erreicht", sagt Fischer. Seine Erklärung: Viele Bewegungen laufen vor Ort ab, ohne das Hirn zu behelligen.

Fischers Röntgenvideos lehren ihn das Denken in Bildern, mit überraschenden Analogien: Je mehr "Intelligenz" in den Muskeln selbst stecke, desto schneller die Reaktion, desto besser die Chancen, Kampf oder Flucht zu überleben, sagt Fischer. So ähnlich sei es auch anno 1806 abgelaufen, als Napoleons Truppen die Preußen beim Örtchen Auerstedt schlugen, unweit von Jena - obwohl der Gegner weit überlegen war. Was diese Schlacht mit dem Lauf der Tiere zu tun hat, liegt für Fischer klar auf der Hand: Die Preußen warteten auf Befehle, französische Einheiten dagegen manövrierten schneller und unabhängiger, sagt Fischer - fast wie flinke Rattenfüße.

Bei einigen Tieren geschehe die Stabilisierung der Beine sogar ohne viel Hilfe von Nerven oder Muskeln, einfach durch "intelligente Mechanik", sagt Fischer. Hunde etwa scheinen im vollen Galopp widerstandslos über holprige Böden zu fließen, auch dank eines beweglichen Schulterblatts als Drehpunkt für elegant rollende Bewegungen. "Unsere Videos überraschen sogar Tierärzte", sagt Fischer.

Noch erstaunlicher: "Die individuellen Unterschiede zwischen einzelnen Hunden sind größer als die Unterschiede zwischen den Rassen", sagt Fischer. "Hunde in Bewegung" heißt ein opulenter Bildband, der aus dieser Forschung hervorgegangen ist, eine sinnliche, streng wissenschaftliche Liebeserklärung an den vierbeinigen Mitläufer des Menschen.

Mittlerweile geht Martin Fischer auch anders mit Irma um, seiner Airedale-Hündin. Er gönne ihr, erzählt er, regelmäßig leinenlosen und ausgiebigen Auslauf auf den Hügeln über Jena. "Bis sie nur noch ein Pünktchen am Horizont ist."

Genug für heute, die Scheinwerfer verlöschen. Fischer streichelt die Rattendame, bevor er sie in ihren Käfig setzt. "Zum Glück hat sie heute mitgespielt", sagt er.

Im Video: Eine laufende Ratte im Röntgenfilm

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