Experimentelle Bestimmung der Auswirkungen geänderter Umgebungstemperaturen auf Beinkoordination, Kraftverteilung zwischen den Laufbeinen und Körperdynamik bei schnell laufend Arthropoden sowie dreidimensionale numerische Modellierung vielbeiniger Bewegungsapparate.

• Antragsteller: Dr. Tom Weihmann
• Fachliche Zuordnung: Systematik und Morphologie der Tiere ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Biophysik ; Ökologie und Biodiversität der Tiere und Ökosysteme, Organismische Interaktionen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513506278

Aufgrund ihrer schieren Häufigkeit sowie der enormen morphologische und ökologische Vielfalt gehören Arthropoden zu den wichtigsten ökologischen Akteuren. Über ihre schnelle terrestrische Lokomotion ist jedoch erstaunlich wenig bekannt. Die meisten Studien konzentrieren sich auf bestimmte Laborspezies, die kaum die Vielfalt der Baupläne abdecken. Diese unterscheiden sich in einer Vielzahl von Parametern. Im Hinblick auf die Bewegungsphysiologie sind dabei die Anzahl der Laufbeine, die Körpergröße, die Körperhaltung und -dynamik, die Beinstruktur und -länge, das Timing und die Koordination sowie die Art und Weise, wie die Beinkräfte erzeugt und auf den Boden übertragen werden essentiell. Die Krafterzeugung hängt dabei direkt von der Funktion der Beinmuskeln ab. Viele dieser Parameter werden durch die Umgebungstemperatur beeinflusst. Im Zusammenhang mit der Fortbewegung wurde dieser Einfluss bisher jedoch kaum untersucht. Für Schaben konnte ich die enorme Wirkung der Umgebungstemperatur auf alle möglichen kinematischen Parameter herausarbeiten. Um den Einfluss geänderter Temperaturen allgemein beurteilen zu können wird jedoch eine viel größere Datenbasis benötigt. Daher plane ich in diesem Antrag, die Fortbewegung von ökologisch unterschiedlich angepassten Arten zu untersuchen. Es sollen schnelle und langsame Läufer, Tiere mit unterschiedlicher Beinzahl, wie Insekten und Spinnentiere sowie größere und kleiner Arten gegenübergestellt und verglichen werden. Dazu sollen Beinkoordination und Körperdynamik jeweils bei drei verschiedenen Temperaturen untersucht werden. Dynamik, Stabilität und Energetik von Lokomotion werden durch die von den Beinen auf den Boden übertragenen Kräfte und deren Wechselwirkungen bestimmen. Ich plane, die Bodenreaktionskräfte insbesondere bei hohen Laufgeschwindigkeiten zu untersuchen, um die Wechselwirkungen zwischen den Beinen sowie passive Beiträge wie Elastizität und Dämpfung für vielbeinige Beinkonstruktionen offenzulegen. Um das Bild abzurunden, sollen physiologische Eigenschaften von Beinmuskeln mit histologischen Methoden kartiert werden. Myosin-ATPase-Aktivität und Sarkomerlängen sollen dazu genutzt werden, Informationen über Kontraktionsgeschwindigkeit und maximale Kraft wichtiger Beinmuskeln zu erlangen. Für wichtige Arten werden physiologische Eigenschaften, wie die Kraft-Längen-Relation und die Kraft-Geschwindigkeits-Relation funktionell maßgeblicher Muskeln direkt untersucht. Die gewonnenen Daten werden für die Entwicklung eines multimodalen, skalierbaren 3D-Modells verwendet. Der hochgradig integrative Ansatz, in dem experimentelle Ansätze zur Bewegungskinematik und -dynamik schnell laufender Arthropoden mit Muskelphysiologie und numerischer Modellierung verbunden werden, hat ein hohes Potenzial morphologisches und funktionelles Wissen weiter zu integrieren, Funktion und Ökologie zu verbinden und kann zu einem Wissenstransfer in technische Anwendungen führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen