Verständnis der Mechanismen von Wendemanövern unter Wasser bei Pinguinen

Pinguine bilden eine faszinierende Familie flugunfähiger Vögel, die, obwohl sie an Land etwas ungeschickt sind, äußerst talentierte Schwimmer sind. Ihre unglaubliche Manövrierfähigkeit im Wasser fasziniert Biologen seit Jahrzehnten, wobei die ersten hydrodynamischen Studien zu ihrem Schwimmen auf die 1970er Jahre zurückgehen.

Obwohl einige wenige Studien einen Teil der Physik hinter der Geschicklichkeit von Pinguinen geklärt haben, konzentrierten sich die meisten von ihnen eher auf das Vorwärtsschwimmen als auf das Drehen. Während man argumentieren könnte, dass bestehende Studien zu den Drehmechanismen von fliegenden Vögeln etwas Licht in dieses Thema bringen könnten, ist Wasser 800-mal dichter als Luft, und daher sind die verwendeten Drehmechanismen zwischen diesen Medien vermutlich sehr unterschiedlich.

Um diese Wissenslücke zu schließen, haben zwei japanische Wissenschaftler des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), darunter Associate Professor Hiroto Tanaka, kürzlich eine Studie durchgeführt. Das Hauptziel dieser Arbeit, die in veröffentlicht wurde Zeitschrift für experimentelle Biologiesollte ein besseres Verständnis der dreidimensionalen (3D) Kinematik und der hydrodynamischen Kräfte erlangen, die es Pinguinen ermöglichen, sich unter Wasser zu drehen.

Mit einem Dutzend oder mehr Unterwasserkameras nahmen die Forscher zwei Sitzungen von Eselspinguinen (Pygoscelis papua) auf, die frei in einem großen Wassertank im Nagasaki Penguin Aquarium, Japan, schwammen. Dank einer Technik namens direkte lineare 3D-Transformation konnten sie dann Daten aus dem gesamten Filmmaterial integrieren und detaillierte 3D-Bewegungsanalysen durchführen, indem sie verschiedene Punkte auf den Körpern und Flügeln der Pinguine verfolgten.

Ausgestattet mit diesen Daten erstellten die Forscher dann ein mathematisches 3D-Körpermodell der Pinguine. Dieses Modell umfasste die Ausrichtung und Winkel des Körpers, die unterschiedlichen Positionen und Bewegungen der Flügel bei jedem Schlag, die damit verbundenen kinematischen Parameter und hydrodynamischen Kräfte sowie verschiedene Drehmetriken. Durch statistische Analysen und Vergleiche mit den experimentellen Daten validierten die Forscher das Modell und gewannen Einblicke in die Rolle der Flügel und anderer Körperbewegungen während des Wendens.

Die wichtigsten Ergebnisse der Studie betrafen die Art und Weise, wie Pinguine eine Zentripetalkraft erzeugen, um ihre Drehungen zu unterstützen. Sie erreichen dies teilweise, indem sie eine nach außen gerichtete Schräglage beibehalten, was bedeutet, dass sie ihren Körper so neigen, dass ihre Bäuche nach innen zeigen. Bei angetriebenen Kurven – denjenigen, bei denen der Pinguin mit den Flügeln schlägt – treten die meisten Richtungsänderungen während des Aufwärtsschlags auf, während der Vorwärtsschub beim Abwärtsschlag auftritt. Außerdem stellt sich heraus, dass Pinguine bei Powerturns mit einer gewissen Asymmetrie mit den Flügeln schlagen.

„Wir haben kontralaterale Unterschiede in der Flügelbewegung festgestellt; der Flügel auf der Innenseite der Kurve wird beim Aufschlag stärker angehoben als der andere“, erklärt Assoc. Prof. Tanaka: „Quasi-stationäre Berechnungen der Flügelkräfte bestätigten, dass diese Asymmetrie in der Flügelbewegung mit der nach außen gerichteten Schräglage zur Erzeugung der Zentripetalkraft während des Aufschlags beiträgt. Beim folgenden Abschlag erzeugt der innere Flügel Schub und Gegengiermoment zum Bremsen das Wenden.“

Insgesamt tragen diese Ergebnisse zu einem besseren Verständnis der biologischen und ingenieurtechnischen Frage bei, wie sich Pinguine beim Schwimmen drehen. Allerdings Assoz. Prof. Tanaka merkt an, dass diese Ergebnisse nur ein Teil des Puzzles bringen: „Die Mechanismen verschiedener anderer Manöver bei Pinguinen, wie schnelle Beschleunigung, Auf- und Abbewegungen und Springen aus dem Wasser, sind noch unbekannt. Unsere Studie dient als die Grundlage für das weitere Verständnis komplexerer Manöver.“