Neue Forschungsergebnisse zeigen, wie die überraschende innere Anatomie des Helmvogels es ihm ermöglicht, Schäden während Luftkämpfen mit Rivalen zu widerstehen. Die Forscher hoffen, dass diese neuen Erkenntnisse zum Schutz dieser vom Aussterben bedrohten Art beitragen und neue Erkenntnisse für die Entwicklung schlagfester biomimetischer Materialien liefern können.
„Als ich in Hongkong anfing, besuchte ich die Naturschutz-Forensik-Gruppe der City University of Hong Kong (HKU), um über ihre Forschung zu sprechen. Dort lernte ich diesen erstaunlichen Vogel, seine bizarre Schädelanatomie und die Bedrohung kennen, die der Art durch den illegalen Wildtierhandel droht“, sagt Dr. Mason Dean, außerordentlicher Professor für Vergleichende Anatomie an der HKU.
Der Helmtoko (Rhinoplax vigil) ist im illegalen Wildtierhandel wegen seines bauchigen „Helms“ begehrt, einer helmartigen Ausstülpung an der Vorderseite seines Schädels. Obwohl Helme bei Nashornvögeln ein gemeinsames Schmuckstück sind, scheinen sie bei verschiedenen Arten unterschiedliche Funktionen zu erfüllen. Insbesondere ist der Helm des Helmtoko während der meisten Arten hohl, vorne ist der Helm des Helmtoko mit einer dicken Keratinschicht („Nashornvogelelfenbein“) versehen und mit einem außergewöhnlich dichten Knochengeflecht ausgestattet.
„Als ich mehr über diese Art erfuhr, entdeckte ich in einem Museum einen Querschnitt eines getrockneten Schädels, der ein schockierendes Durcheinander von Knochenbälkchen im Helm offenbarte“, sagt Dr. Dean. „Als ich hörte, dass einzelne Exemplare dafür bekannt sind, ihre Helme bei Flugvorführungen zusammenzurammen, musste ich einfach mehr über die funktionelle Morphologie erfahren.“
Trabekel (miteinander verbundene Streben im Inneren des Wirbelknochens) sind eine Möglichkeit, den Knochen hohe Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Knicken zu verleihen, und zwar an den Stellen, wo sie es am meisten brauchen.
„Das Verständnis der Anatomie des Nashornvogels und wie sie dieses Turnierverhalten ermöglicht, kann uns daher Hinweise auf die Ökologie dieses schwer fassbaren Tiers und grundlegende Aspekte seiner Lebensgeschichte und Gesundheit geben“, sagt Dr. Dean.
„Da die funktionelle Anatomie des Nashornvogels praktisch unerforscht ist, werden unsere Erkenntnisse im Idealfall auch neue Perspektiven für das bioinspirierte Design von Hochleistungsverbundwerkstoffen eröffnen, die Schäden durch wiederholte Kollisionen vertragen“, fährt Dr. Dean fort. „Wir sind besonders begeistert von der Idee, dass der Helmnashornvogel ein Modell für leichte, stoßfeste Materialien sein könnte, da dies Lösungen für Bereiche bieten könnte, in denen das Kollisionsmanagement von entscheidender Bedeutung ist, von Helmen bis hin zu Fahrzeugen und Rädern von Rovern in der Luft- und Raumfahrt.“
Dr. Dean und sein Team nutzten die Mikro-Computertomographie, um das Innere der verschiedenen Strukturen des Helms zu untersuchen.
„Wir haben uns darauf konzentriert, die hierarchische Architektur des Schädels zu verstehen und dabei Biologie, Materialwissenschaften und Ingenieurtechniken zu vereinen“, sagt er. „Wir haben genug Proben, um Männchen und Weibchen vergleichen zu können. Bei einigen Exemplaren sind die Gelenke noch flexibel, bei anderen kann die Rhamphotheca (die Keratinhülle an Helm und Unterkiefer) abrutschen.“
„Nachdem wir mit dem Projekt begonnen hatten, kamen viele wirklich nette Nashornvogel-Enthusiasten aus allen Ecken und Enden, um uns zu helfen“, sagt Dr. Dean. „Wir konnten uns ein detailliertes und quantitatives Bild davon machen, wie der Helm aufgebaut ist, wie der Knochen mit dem Keratin interagiert und wie das komplizierte Gitterwerk der Knochenbälkchen die Aufprallfläche des Schädels stützt.“
Dr. Dean und sein Team stellten fest, dass die Trabekel des Nashornvogels im Durchschnitt genauso dick oder dicker waren als die im Oberschenkelknochen eines Elefanten, obwohl sie zu einem viel kleineren Tier gehörten – entgegen einem allgemeinen Trend, wonach die Trabekel mit der Größe des Tieres skalieren.
„Ich habe die Mikro-CT verwendet, um eine große Vielfalt an Tierskeletten zu untersuchen, aber ich habe noch nie Knochenbälkchen wie die gesehen, die wir beim Nashornvogel gefunden haben“, sagt Dr. Dean.
„Dieser massive Trabekelstrang verläuft dann zurück zum Hirnschädel, wie ein Bündel von Stützwurzeln eines Banyanbaums, und läuft auf einer Knochenplattform zusammen, die viel stärker verstärkt ist als bei anderen Nashornvögeln und verwandten Arten, die wir untersucht haben“, sagt Dr. Dean. „All diese anatomischen Merkmale vermitteln eine Vorstellung davon, wie der Schädel des Helmtoko angepasst ist, um einem der schnellsten bekannten biologischen Aufpralle standzuhalten, bei dem die Männchen bei einem ‚Luftkampf‘ mit der Geschwindigkeit eines Autounfalls mit den Köpfen zusammenstoßen.“
Aufgrund des illegalen Wildtierhandels, insbesondere in Asien, wo Dr. Dean und sein Team arbeiten, steht diese Art nun auf der Roten Liste bedrohter Arten der IUCN auf der Liste der vom Aussterben bedrohten Arten, und ein Großteil des illegalen Handels gelangt über Hongkong nach Festlandchina.
„Der Helmtoko ist eine der größten Nashornvogelarten Asiens. Das Keratin an der Vorderseite seines Helms war schon immer ein Ziel des Kunst- und Antiquitätenmarkts, um daraus Ziergegenstände für Wildtiere zu schnitzen“, sagt Dr. Dean. „Viele unserer Schädelproben enthielten noch die Kugeln, die das Tier wahrscheinlich getötet hatten.“
„Da die Art schwer zu fassen und in freier Wildbahn schwer zu beobachten ist, besteht ein großer Bedarf, das Wissen über ihre Biologie zu verbessern, ihren Lebensraum zu erhalten, schwindende Wildpopulationen zu schützen und bessere Werkzeuge zur Identifizierung von Wildtierprodukten zu entwickeln“, fügt er hinzu. „Wir hoffen, dass Projekte wie unseres zum Verständnis der Naturgeschichte der Art beitragen und die Öffentlichkeit für die Herausforderungen des Artensterbens sensibilisieren. Im Idealfall zeigen sie den Wissenschaftlern auch, dass Maßnahmen zum Artenschutz nicht nur von Naturschutzbiologen ausgehen müssen.“
Diese Forschung wird vorgestellt bei der Jahreskonferenz der Gesellschaft für Experimentelle Biologie in Prag vom 2.–5. Juli 2024.