E5 Thermoregulation und physikalische Homöostase

Thema

Die Interaktion eines Säugetiers mit seiner physikalischen Umgebung – Luft, Wasser oder körnigem Boden wie Sand oder lockerer Erde – erzeugt neben der Schwerkraft, die bereits auf den Körper wirkt, auch Widerstands- und Vortriebskräfte. Jede dieser drei Umgebungen übt einen eigenen Widerstand auf die Bewegung des Tieres aus.

In der Luft steigt der Luftwiderstand, den das Medium dem Körper des Tieres entgegensetzt, quadratisch mit seiner Geschwindigkeit an. Eine Verdopplung der Geschwindigkeit vervierfacht diesen Widerstand. Bei Säugetieren, die sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen, wie beispielsweise Geparden oder Greyhounds, kann dieser Luftwiderstand letztendlich die maximale Laufgeschwindigkeit begrenzen.

Im Wasser begrenzen zwei unterschiedliche Widerstandsarten die Geschwindigkeit des Tieres: der viskose Widerstand, den das Wasser der Bewegung des Körpers entgegensetzt, und der Wellenwiderstand, der entsteht, wenn der Körper beim Bewegen Wellen auf der Wasseroberfläche erzeugt. Gleichzeitig drückt das Wasser den Körper des Tieres mit einer Kraft nach oben, die dem Gewicht des verdrängten Wassers entspricht. Dieser Auftrieb verringert den Kraftaufwand, den das Tier beim Schwimmen gegen die Schwerkraft aufbringen muss.

In körnigen Böden wie Sand oder lockerer Erde erfahren grabende Säugetiere und solche, die auf weichem Untergrund laufen, Widerstandskräfte, die sowohl mit der Eindringtiefe des Fußes in den Untergrund als auch mit der Geschwindigkeit seiner Bewegung darin zunehmen. Ein Fuß, der tiefer einsinkt oder sich schneller im Untergrund bewegt, erfährt also einen größeren Widerstand.

Der im Zusammenhang mit dem Schwimmen erwähnte viskose Wasserwiderstand ist nicht bei allen Wassersäugetieren gleich stark ausgeprägt: Eine dimensionslose Kennzahl, die die Bedeutung der Trägheitskräfte des fließenden Wassers mit den viskosen Kräften, die es abbremsen, vergleicht, unterscheidet zwei unterschiedliche Bereiche. Bei kleinen Wassersäugetieren dominiert der viskose Bereich, in dem der viskose Widerstand den Trägheitswiderstand überwiegt. Bei großen, schwimmenden Wassersäugetieren dominiert hingegen die turbulente Strömung, in der die Trägheit des bewegten Wassers die Viskosität überwiegt.

Im selben Kontext des Schwimmens beschreibt eine weitere dimensionslose Kennzahl, die Frequenz und Amplitude der Vortriebsbewegung des Tieres mit seiner Vorwärtsgeschwindigkeit in Beziehung setzt, die Effizienz dieses Vortriebs: Es gibt eine Kombination aus Frequenz, Amplitude und Geschwindigkeit, die die Vortriebseffizienz maximiert. Wassersäugetiere, die deutlich von dieser Kombination abweichen, schwimmen mit vergleichsweise höherem Energieaufwand.

Bei kleinen, semiaquatischen Säugetieren wie Ottern oder Bibern kommt ein weiterer Mechanismus hinzu: Die Reibung zwischen dem Fell des Tieres und dem umgebenden Wasser trägt wesentlich zum Gesamtwiderstand bei, dem das Tier beim Schwimmen begegnet. Diese Rolle ist bei großen Wassersäugetieren, die im Verhältnis zu ihrer Größe weniger Fell besitzen, vergleichsweise weniger relevant. Damit ist das Bild der Widerstands- und Vortriebskräfte – zusätzlich zur Schwerkraft – vervollständigt, mit dem diese Beschreibung der Interaktion des Säugetiers mit seiner physikalischen Umwelt begann.

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