Winzige Gliedmaßen und lange Körper: Koordination der Echsenbewegung

Schlangen und Eidechsen haben unterschiedliche Körperbewegungsmuster. Eidechsen beugen sich von einer Seite zur anderen, wenn sie ihre Beine zurückziehen, um zu gehen oder zu rennen. Schlangen hingegen gleiten und wellen sich wie eine Welle, die den Körper hinunterläuft. Es gibt jedoch Eidechsenarten mit langen, schlangenartigen Körpern und Gliedmaßen, die so winzig sind, dass sich sogar Wissenschaftler über ihren Zweck gewundert haben. Das Verständnis, wie sich diese hybrid aussehenden Eidechsen bewegen, könnte Aufschluss darüber geben, warum ein evolutionärer Übergang von einer echsenartigen zu einer schlangenartigen Bewegung stattfand.

Mit biologischen Experimenten, Robotermodellen und einer geometrischen Theorie der Fortbewegung aus den 1980er Jahren untersuchten Forscher des Georgia Institute of Technology, wie und warum intermediäre Echsenarten mit ihren langgestreckten Körpern und kurzen Gliedmaßen ihren Körper zur Fortbewegung nutzen könnten. Unter der Leitung von Daniel Goldman, Professor für Physik lebender Systeme, untersuchte das Forschungsteam die Körper-Gliedmaßen-Koordination in einer Vielzahl von Eidechsenkörpern. Ihr multidisziplinärer Ansatz deckte die Existenz eines bisher unbekannten Spektrums von Körperbewegungen bei Eidechsen auf und enthüllte ein Kontinuum der Fortbewegungsdynamik zwischen echsenartigen und schlangenartigen Bewegungen. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in der Juni-Ausgabe von Proceedings of the National Academy of Sciencesvertiefen das Verständnis der Auswirkungen der Evolution auf die Fortbewegung und haben zusätzliche Anwendungen für fortschrittliche Robotikdesigns.

„Wir waren daran interessiert, warum und wie diese intermediären Eidechsen ihre Körper und Gliedmaßen verwenden, um sich in verschiedenen terrestrischen Umgebungen fortzubewegen“, sagte Goldman. „Dies ist eine grundlegende Frage in der Fortbewegungsbiologie und kann zu leistungsfähigeren wackelnden Robotern inspirieren.“

Ein multidisziplinärer Ansatz

Baxi Chong, ein Ph.D. Student in Goldmans Labor und Erstautor der Arbeit, interessierte sich für die kurzgliedrige, längliche Eidechsenart Brachymeles bei einer Präsentation von Philip Bergmann, außerordentlicher Professor für Evolutionsbiologie an der Clark University, in der Bergmann die Evolution der Art diskutierte. Chong, ein Theoretiker, hatte ein Werkzeug im Sinn, von dem er glaubte, dass es helfen könnte, zu erklären, wie sich die seltene Eidechse bewegte, also wandte er sich an Bergmann, um mitzuarbeiten. Bergmann schickte Aufnahmen der Eidechsen in freier Wildbahn zur Analyse an Goldmans Labor.

Eva Erickson, eine kürzliche Absolventin der Georgia Tech und des Labors von Goldman, wandte dann neue Techniken der künstlichen Intelligenz an, um die Körperbewegungen der Eidechsen in Bergmanns Videos sowie anderer Eidechsenarten zu analysieren. Die als neuronale Netzwerkverfolgung bekannte Software verwendet KI, um Merkmale von Bildern – wie Beine und Körper – zu identifizieren und diese Merkmale und ihre Bewegungen zu verfolgen.

Es wurde typischerweise angenommen, dass Organismen entweder wie Schlangen wackeln, sich wie Eidechsen biegen oder überhaupt keine Körperbiegung verwenden. Bei der Analyse des Filmmaterials sahen die Forscher jedoch eine Vielzahl von schlangenartigen Wellen (Wanderwellen) und echsenartigen Bewegungen (stehende Wellen), die über eine Vielzahl von Eidechsenarten hinweg repräsentiert wurden.

„Markerlose Tierhaltungsschätzungssoftware hat sich stark verbessert und ermöglicht viel bessere Einblicke in die Kinematik von Organismen“, sagte Erickson, der einen Ph.D. Programm an der Brown University im Herbst 2022. „Durch Verfolgungsvideos mit dem Programm DeepLabCut haben wir festgestellt, dass diese Arten bei ihrer Fortbewegung eine Vielzahl von Wellenmustern ausführen.“

Die nächste Frage war, wie man die Vielfalt der Wellenmuster verstehen kann. Laut Chong gibt es zwar unzählige Möglichkeiten, über die Wellen und ihre Bedeutung nachzudenken, aber die Informationen sind so komplex, dass es für Menschen fast unmöglich ist, sie zu verstehen, ohne mühsame und zeitaufwändige Gleichungen zu verwenden.

Stattdessen verwendete Chong eine mathematische Technik, die in den letzten Jahrzehnten von Teilchenphysikern und Kontrolltheoretikern entwickelt wurde. Während die Theorie, die heute auf dem Gebiet der Fortbewegung als geometrische Mechanik bezeichnet wird, ursprünglich eingeführt wurde, um die idealisierte Fortbewegung zu untersuchen – um zu verstehen, wie drei verbundene Punkte im Wasser schwimmen könnten –, passte Chong die Theorie an, um das Konzept der Beine einzubeziehen.

Unter Verwendung geometrischer Mechanik erstellte Chong Diagramme, die die Körper-Gliedmaßen-Koordinationsdaten visualisierten und komplizierte Berechnungen durch viel einfachere Diagrammanalysen ersetzten. Sie waren in der Lage, den Vorteil von schlangenartigen Wellen bei der Fortbewegung von Echsen mit kurzen Gliedmaßen zu sehen und zu zeigen und vorherzusagen, dass der Vorteil entsteht, wenn sich die primäre Schuberzeugung von den Gliedmaßen zum Körper verlagert.

„Der Vorteil der geometrischen Mechanik ist, dass wir nicht jede Möglichkeit der Fortbewegung untersuchen müssen, um festzustellen, welche die beste ist“, sagte Chong.

Erkenntnisse aus der Verfolgung neuronaler Netzwerke und der geometrischen Mechanik ermöglichten es der Gruppe, eine Theorie zu formulieren: dass der Bewegungsstil der Echsen – ob sie sich mit stehenden Wellen zum Laufen oder einer Wanderwelle zum Rutschen fortbewegen – eng mit dem Grad der Gliedmaßengröße und der Körperdehnung zusammenhängt .

Testen der Theorie mit echten und Roboterechsen

Die Forscher testeten die Theorie auf zwei Arten. Erstens veränderten sie die Umgebung, indem sie sandbewohnende Eidechsen in etwas brachten, auf das sie auf natürliche Weise niemals stoßen würden: Sand, durch den Luft geblasen wird. Sie beobachteten, dass Eidechsen mit kurzem Körper und kräftigen Beinen gezwungen waren, sich in einer Bewegung, die als „terrestrisches Schwimmen“ bekannt ist, herauszuwinden. Im Wesentlichen waren sie in der Lage, Eidechsen dazu zu bringen, sich schlangenähnlich fortzubewegen, was die Existenz eines Spektrums von Fortbewegungsmustern weiter unterstützt.

Das Team baute dann ein Robotermodell, um die Vorteile von eidechsen- und schlangenartigen Körperbewegungen bei den intermediären Eidechsenarten zu untersuchen. Der als robophysikalisches Modell bekannte Roboter fungiert als Physikermodell eines lebenden Systems, das auch verwendet werden kann, um Parameter wie die Länge der Gliedmaßen und die Art und Weise, wie der Körper der Eidechse auf dem Boden schleift, zu variieren. Mit solchen Fähigkeiten können sie die Vorhersagen ihres theoretischen Modells testen und gleichzeitig ein Verständnis des biologischen Systems gewinnen.

Das Team baute dann ein Robotermodell, um die Vorteile von eidechsen- und schlangenartigen Körperbewegungen bei den intermediären Eidechsenarten zu untersuchen. Der als robophysikalisches Modell bekannte Roboter fungiert als physikalisches Modell eines lebenden Systems. Mit dem Roboter können sie die Vorhersagen ihres theoretischen Modells testen und gleichzeitig Einblicke in die Biologie und Fortbewegung der intermediären Eidechse gewinnen.

„Wir haben das robophysikalische Modell so gebaut, dass es rekonfigurierbar ist – wir können die Länge der Gliedmaßen variieren und ändern, wie sich der Eidechsenroboter durch das Hinzufügen und Entfernen einer Bauchplatte fortbewegt“, sagte Tianyu Wang, ein promovierter Robotiker. Student und Mitglied von Goldmans Labor. „Dann haben wir den Roboter verwendet, um ähnliche Experimente im Sand durchzuführen und dabei seine Bewegungen und Leistung zu verfolgen.“

Die Forscher fanden heraus, dass, wenn mehr Körpergewicht auf den Bauch statt auf die Gliedmaßen verteilt wurde, schlangenähnliche Körperbewegungen den klaren Vorteil hatten, Eidechsen dorthin zu bringen, wo sie sein sollten – selbst für die Eidechsen mit den stärksten Beinen.

Insgesamt beobachtete das Team, dass der Grad der Körperdehnung und Gliedmaßenreduzierung bei Echsen in direktem Zusammenhang damit steht, wie Körper- und Gliedmaßenbewegungen koordiniert werden, was auf ein eng miteinander verflochtenes Kontinuum zwischen Körperformen und Fortbewegungsstil hinweist. Die Forscher stellten sogar fest, dass die winzigen Gliedmaßen den Eidechsen nicht nur beim Antrieb, sondern auch beim Abheben ihrer Bäuche vom Boden von großem Nutzen waren.

Einblicke

Die Ergebnisse der Forscher ermöglichten ihnen den Schluss, dass die Evolution nicht nur dazu diente, Körper zu verlängern oder Gliedmaßen zu verkürzen, sondern beides – und zwar auf hochgradig koordinierte und funktionelle Weise.

„Unsere Arbeit hilft wirklich zu erklären, warum diese Zwischenarten in der Lage sind, mit anderen Arten zu konkurrieren und Millionen von Jahren eigenständig zu bestehen“, sagte Bergmann. „Sie entwickeln sich nicht zu Schlangen, sondern sind vollständig funktionsfähige Arten mit ihren eigenen ökologischen Rollen.“

Außerdem können Robotiker Konzepte anwenden, die in der Arbeit der Forscher entdeckt wurden. Beispielsweise haben Robotiker mithilfe der Erkenntnisse aus Goldmans Labor von Schlangen, Eidechsen und Amphibien inspirierte Roboter entwickelt, die eines Tages bei Such- und Rettungsaktionen eingesetzt werden könnten.

„Mit den robophysikalischen Modellen können wir Prinzipien entwickeln, die auch die nächste Generation von Robotern informieren können, die möglicherweise in Trümmern herumkriechen oder sich in außerirdischen Umgebungen wie der Oberfläche von Monden oder Planeten bewegen müssen“, sagte Goldman.

Ein wichtiger Aspekt der Studie war schließlich ihr multidisziplinärer Ansatz. Durch die Aufnahme von Videos von einem Evolutionsbiologen, die Anwendung von KI-Tracking-Software und geometrischer Mechanik zum Verständnis von Bewegungen und den Aufbau eines robophysikalischen Modells zum Testen ihrer Hypothese brachte jeder Student individuelles Fachwissen in die Forschungsfrage ein.

„Ich muss sagen, das war wirklich ein großartiges, von Studenten geleitetes Projekt“, sagte Goldman.