Biomechanik: Der Turbo in der Haifischflosse
Wer bei den Olympischen Spielen Gold in einer Schwimmdisziplin gewinnen will, zieht sich einen Badeanzug aus simulierter Haihaut an - so viel haben die Spitzensportler sich schon abgeguckt. Aber der Hai hat noch weitere Geheimnisse, wie man schnell und energiesparend durch die Meere kommt.
Die Natur ist gerne symmetrisch und hat bei den Wirbeltieren offenbar eine Vorliebe für bilaterale Baupläne: Linke und rechte Seite gleichen einander wie Original und Spiegelbild. Mitunter hat sie auch Symmetrien bezüglich oben und unten entwickelt – die Schwanzflosse der meisten Fische ist ein Beispiel dafür. Abweichungen von der Regel haben mit ziemlicher Sicherheit einen tieferen Zweck, der häufig darin besteht, einen guten Eindruck bei den Weibchen zu machen. Doch es gibt auch Fälle, in denen fragen sich die Wissenschaftler, welchen Vorteil eine Tiergruppe von einem offensichtlichen Symmetriebruch hat. Eines dieser Rätsel ist die Schwanzflosse der Haie: Ihr oberer Teil ist viel größer als der untere.
Da es dem Hai in seinem Leben recht wenig auf Schönheit ankommt, liegt die Vermutung nahe, dass die besondere Flossenform ihm einen gewissen Geschwindigkeitsvorteil bringt. Als Jäger muss er schließlich schneller als seine Beute sein, um satt zu werden. Und auch die Haut dieser Fische ist bereits für energiesparendes Schwimmen bei hohem Tempo ausgelegt. Kleine Rillen überziehen die Zahnschuppen der Meeresbewohner und binden einen dünnen Wasserfilm um den Körper. Dadurch sinkt der Reibungswiderstand zum umgebenden Wasser, und es flutscht einfach besser.
Welchen Beitrag leistet dabei nun die asymmetrische Flosse? Die amerikanischen Biologen Cheryl Wilga von der Universität Rhode Island und George Lauder von der Harvard-Universität untersuchten diese Frage, indem sie Dornhaie (Squalus acanthias) durch einen Kanal mit fließendem Wasser schwimmen ließen und ihre Bewegungen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufzeichneten. Mit vertikalen Laserstrahlen, die durch das Becken führten, konnten sie zeitgleich die Entwicklung von Wasserwirbeln am Haischwanz verfolgen.
Die Auswertung zeigte eine komplexere Bewegungsfolge und Wasserdynamik als sie von den symmetrischen Schwanzflossen anderer Fischarten bekannt ist. Die Flosse des Hais knickt während des Schlags im oberen Teil seitlich ab. Sie biegt sich dabei über eine Achse, die in Bezug zur Schwimmrichtung aufwärts geneigt ist. Dadurch entsteht ein doppelter Wirbel, der an zwei Ringe erinnert, einem kleineren innerhalb eines größeren. Am oberen Ende verschmelzen die beiden Wirbelringe miteinander. Zusammen produzieren sie einen nach hinten gerichteten Wasserstrahl, zu dem noch ein weiterer Strahl kommt, der am unteren Flossenteil entsteht. Insgesamt also ein doppelter Antrieb. Und das bei jedem Schwanzschlag, denn jede Seitwärtsbewegung produziert ihren Doppelringwirbel, die sich beim Schwimmen hintereinander aufreihen.
Doppelte Ringwirbel bei Haien, einfache bei anderen Fischen – es liegt wohl zumindest teilweise an der besseren technischen Ausstattung, wenn es dem ein oder anderen Fisch an die Kiemen geht. Welchen Anteil genau die Flossenform an der Geschwindigkeit und Beweglichkeit der Haie hat, wollen die Forscher mit weiteren Messungen herausfinden. Wer weiß, ob bei den nächsten Olympischen Spielen nicht einige Schwimmer neue Anzüge tragen werden, die mit einer asymmetrischen Heckflosse versehen sind.
Da es dem Hai in seinem Leben recht wenig auf Schönheit ankommt, liegt die Vermutung nahe, dass die besondere Flossenform ihm einen gewissen Geschwindigkeitsvorteil bringt. Als Jäger muss er schließlich schneller als seine Beute sein, um satt zu werden. Und auch die Haut dieser Fische ist bereits für energiesparendes Schwimmen bei hohem Tempo ausgelegt. Kleine Rillen überziehen die Zahnschuppen der Meeresbewohner und binden einen dünnen Wasserfilm um den Körper. Dadurch sinkt der Reibungswiderstand zum umgebenden Wasser, und es flutscht einfach besser.
Welchen Beitrag leistet dabei nun die asymmetrische Flosse? Die amerikanischen Biologen Cheryl Wilga von der Universität Rhode Island und George Lauder von der Harvard-Universität untersuchten diese Frage, indem sie Dornhaie (Squalus acanthias) durch einen Kanal mit fließendem Wasser schwimmen ließen und ihre Bewegungen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufzeichneten. Mit vertikalen Laserstrahlen, die durch das Becken führten, konnten sie zeitgleich die Entwicklung von Wasserwirbeln am Haischwanz verfolgen.
Die Auswertung zeigte eine komplexere Bewegungsfolge und Wasserdynamik als sie von den symmetrischen Schwanzflossen anderer Fischarten bekannt ist. Die Flosse des Hais knickt während des Schlags im oberen Teil seitlich ab. Sie biegt sich dabei über eine Achse, die in Bezug zur Schwimmrichtung aufwärts geneigt ist. Dadurch entsteht ein doppelter Wirbel, der an zwei Ringe erinnert, einem kleineren innerhalb eines größeren. Am oberen Ende verschmelzen die beiden Wirbelringe miteinander. Zusammen produzieren sie einen nach hinten gerichteten Wasserstrahl, zu dem noch ein weiterer Strahl kommt, der am unteren Flossenteil entsteht. Insgesamt also ein doppelter Antrieb. Und das bei jedem Schwanzschlag, denn jede Seitwärtsbewegung produziert ihren Doppelringwirbel, die sich beim Schwimmen hintereinander aufreihen.
Doppelte Ringwirbel bei Haien, einfache bei anderen Fischen – es liegt wohl zumindest teilweise an der besseren technischen Ausstattung, wenn es dem ein oder anderen Fisch an die Kiemen geht. Welchen Anteil genau die Flossenform an der Geschwindigkeit und Beweglichkeit der Haie hat, wollen die Forscher mit weiteren Messungen herausfinden. Wer weiß, ob bei den nächsten Olympischen Spielen nicht einige Schwimmer neue Anzüge tragen werden, die mit einer asymmetrischen Heckflosse versehen sind.
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