Paläobiologie terrestrischer Wirbeltiere

Transkript

1 Paläobiologie terrestrischer Wirbeltiere Prof. H. U. Pfretzschner Institut für Geowissenschaften Tübingen H. U. Pfretzschner

2 r

3 Tetrapodenbauplan Aus: dtv-atlas zur Biologie, Bd1, 1967 H. U. Pfretzschner

4 Tetrapodenbauplan Aus: Storch & Welsch (2004) Systematische Zoologie, Spektrum Akad. Verlag, Heidelberg H. U. Pfretzschner

5 r

6 r

7 Lystrosaurus hedini, Perm (NW-China) Author Ghedoghedo Quelle: Wikipedia, H. U. Pfretzschner

8 Schultergürtel von Dimetrodon Vorder- und Hinterextremität von Ophiacodon Beckengürtel von Dimetrodon Aus: Romer (1976) Vergleichende Anatomie der Wirbeltiere. Verlag Paul Parey, Hamburg H. U. Pfretzschner

9 Eryops H. U. Pfretzschner

10 Schultergürtel von Dimetrodon Vorder- und Hinterextremität von Ophiacodon Beckengürtel von Dimetrodon Aus: Romer (1976) Vergleichende Anatomie der Wirbeltiere. Verlag Paul Parey, Hamburg

11 Vorder- und Hinterextremität von Ophiacodon b/0/0c/kreuzschl%c3%bcssel.jpg/250px- Kreuzschl%C3%BCssel.jpg Aus: Romer (1976) Vergleichende Anatomie der Wirbeltiere. Verlag Paul Parey, Hamburg

12 Phase der Humerus-Rotation bei spreizgängigen Laufen Ansicht von der Seite von vorne von oben Aus: Carroll (1993) Paläontologie und Evolution der Wirbeltiere. Georg Thieme Verlag, Stuttgart

13 Aktivitätsmuster Aktivitätsmuster poikilotherm Stoffwechsel niedrig t homoiotherm Stoffwechsel hoch t Nahrungsbedarf niedrig Nahrungsaufnahme selten Nahrungsbedarf hoch Nahrungsaufnahme häufig

14 Handskelett, links Capitatum Hamatum Phalangen Ein Schiffchen fährt im Mondenschein im Dreieck um das Erbsenbein Viereckig groß viereckig klein Am Köpfchen muss ein Haken sein. Pisiforme Triquetrum Lunatum Ulna Metacarpalia Trapezium Trapezoideum Scaphoid Radius

15 Fußskelett (links) Phalangen Metatarsalia Cuboid Calcaneus Astragalus (Talus) Fibula Tibia Cuneiforme mediale Cuneiforme intermedium Cuneiforme laterale Naviculare Tibia Astragalus (Talus) Calcaneus Naviculare Cuneiforme mediale

16 Die Extremitätenknochen sind an den Enden gelenkig verbunden und werden durch Muskeln bewegt

17 Jedes Gelenk wird von mindestens zwei entgegengesetzt wirkenden Muskeln (Antagonisten) bewegt M. triceps brachii (Strecker des Unterarms) M. biceps brachii (Beuger des Unterarms) /biceps_and_triceps.jpg

18 Beuger und Strecker des Unterarmes H. U. Pfretzschne

19 Die Kontraktion der Muskeln bewirkt eine Rotation des betroffenen Knochens um die jeweilige Gelenkachse H. U. Pfretzschne

20 Die Knochen wirken dabei mechanisch als Hebel Prof. Pfretzschne

21 Das Hebelgesetz F M d M d L F L Im Gleichgewicht gilt: F M M M d M M F L L d L Prof. Pfretzschne

22 Das Hebelgesetz F M *cos α F M α d M d L F L Im Gleichgewicht gilt: F M M M cos M L d M F L d L Prof. Pfretzschne

23 Das Hebelgesetz F M *cos α F M α d M d L1 F L1 F L2 d L2 Im Gleichgewicht gilt: FM cos dm FL 1 dl 1 FL 2 dl2 M M M L i Prof. Pfretzschne

24 M. biceps brachii M. brachialis Aus: Tittel (3002) Beschreibende und funktionelle Anatomie des Menschen. Urban & Fischer, München Prof. Pfretzschne

25 Allgemein gilt für das Gleichgewicht F M1 *cos α 1 α 2 F M1 F M2 *cos α 2 F α 1 M2 d M2 d M1 d L1 F L1 F L2 d L2 Im Gleichgewicht gilt: F M cos dm FM dm FL dl FL d 1 1 cos L i M M i i M L i Prof. Pfretzschne

26 M. biceps brachii M. biceps brachii M. brachialis M. brachialis M. brachialioradialis M. brachialioradialis Aus: Tittel (2003) Beschreibende und funktionelle Anatomie des Menschen. Urban & Fischer, München Prof. Pfretzschne

27 Allgemein gilt für das Gleichgewicht F M1 *cos α 1 α 2 F M1 F M3 *cos α 3 α 3 F M2 *cos α 2 F M3 F α 1 M2 d M2 d M1 d L1 F L1 F L2 d L2 Im Gleichgewicht gilt: F M cos dm FM dm FM dm FL dl FL d 1 1 cos cos L 2 i M M i i M L i Prof. Pfretzschner

28 M. biceps brachii M. brachialis M. brachialioradialis Aus: Tittel (2003) Beschreibende und funktionelle Anatomie des Menschen. Urban & Fischer, München Prof. Pfretzschner

29 Allgemein gilt für das Gleichgewicht 3/5*F M *cos α 1 α 2 α 1 3/5*F M 1/5*F M *cos α 3 α 3 1/5*F M *cos α 2 1/5*F M 1/5*F M d M2 d M1 d L1 F L1 F L2 d L2 1 5 i F M cos 1 dm FM cos dm FM dm FL dl FL d 1 2 cos L 2 M M i i M L i 3 5 Im Gleichgewicht gilt: 1 5 Prof. Pfretzschner

30 Prof. Pfretzschner ) ( ) ( cos 5 1 ; cos 5 3 ; cos 5 1 cos 5 1 cos 5 3 cos c b a d F d F F d F d F F c b a F c F b F a d c d b d a mit d F d F d F d F d F L L L L M L L L L M M M M M M M L L L L M M M M M M α 1 3/5*F M 3/5*F M *cos α 1 d M1 d L1 F L1 F L2 d L2 α 2 1/5*F M 1/5*F M *cos α 2 d M2 1/5*F M 1/5*F M *cos α 3 α 3

31 Abhängigkeit des effektiven Hebelarms und der Dehnung der Beugemuskeln von der Beugung des Ellenbogengelenks Van Zuylen (1988) A biomechanical model for flexion torques of human arm muscles as a function of elbow angle. Journal of Biomechanics, 21,

32 Relatives Drehmoment einer Muskelzuckung des M. biceps und des M. brachialis als Funktion der Beugung des Ellenbogengelenks Van Zuylen (1988) A biomechanical model for flexion torques of human arm muscles as a function of elbow angle. Journal of Biomechanics, 21,

33 Gesamt-Drehmoment aller Beugermuskeln als Funktion der Beugung des Ellenbogengelenks Van Zuylen (1988) A biomechanical model for flexion torques of human arm muscles as a function of elbow angle. Journal of Biomechanics, 21,

34 Welche Anpassungen besitzen gute Läufer? H. U. Pfretzschne

35 Die Laufgeschwindigkeit kann erhöht werden durch: 1. Erhöhung der Schrittfrequenz

36 Die Laufgeschwindigkeit kann erhöht werden durch: 2. Vergrößerung der Schrittweite H. U. Pfretzschne

37 Die Laufgeschwindigkeit kann erhöht werden durch: 3. Änderung der Gangart

38 1. Erhöhung der Schrittfrequenz

39 Reduktion der Randstrahlen bei Läufern Aus:Hildebrand (1974) Analysis of Vertebrate Strucutre. John Wiley & Sons.

40 Konzentration der Muskelmasse auf den proximalen Extremitätenabschnitt Mensch Hund Pferd Aus: Böker (1935) Einführung in die vergleichende biologische Anatomie der Wirbeltiere. Erster Band. Verlag Gustav Fischer, Jena H. U. Pfretzschne

41 Das dynamische Grundgesetz der Rotation M J r 2 dm M : Drehmoment (Nm) J : Massenträgheitsmoment (kgm 2 ) α : Winkelbeschleunigung (1/s 2 ) r : Abstand zur Rotationsachse (m) m : Masse (kg) F r m

42 Verlagerung des Radius und Reduktion des distalen Ulna Aus: Hildebrand & Goslow (2004) Vergleichende und funktionelle Anatomie der Wirbeltiere, Springer Verlag, Berlin

43 Auswirkung des Ansatzpunktes eines Retraktormuskels auf die Beinbewegung Aus: Hildebrand & Goslow (2004) Vergleichende und funktionelle Anatomie der Wirbeltiere, Springer Verlag, Berlin

44 Muskel-Knochen-Systeme bei Läufern und Nichtläufern Aus: Hildebrand & Goslow (2004) Vergleichende und funktionelle Anatomie der Wirbeltiere, Springer Verlag, Berlin

45 2. Vergrößerung der Schrittweite H. U. Pfretzschne

46 Verlängerung des distalen Skelettelemente bei Läufern Aus:Hildebrand & Goslow (2004) Vergleichende und funktionelle Anatomie der Wirbeltiere. Springer Verlag, Berlin. H. U. Pfretzschne

47

48 Australopithecus afarensis Lucy 3,18 Mio Homo ergaster Turkana Junge 1,6 Mio aus: Tattersall1997 Ein neues Modell der Homo- Evolution. Spektrum der Wissenschaften 06/97, aus: Tattersall1997 Ein neues Modell der Homo- Evolution. Spektrum der Wissenschaften 06/97, 64-71

49 Australopithecus afarensis Lucy 3,18 Mio Homo ergaster Turkana Junge 1,6 Mio aus: Tattersall1997 Ein neues Modell der Homo- Evolution. Spektrum der Wissenschaften 06/97, aus: Tattersall1997 Ein neues Modell der Homo- Evolution. Spektrum der Wissenschaften 06/97, 64-71

50 3. Änderung der Gangart

51 Aus: Hildebrand & Goslow (2004) Vergleichende und funktionelle Anatomie der Wirbeltiere, Springer Verlag, Berlin H. U. Pfretzschne

52 Reduktion des Schlüsselbeins (Clavicula) Aus: Hildebrand & Goslow (2004) Vergleichende und funktionelle Anatomie der Wirbeltiere, Springer Verlag, Berlin

53 Strukturelle Anpassungen, um ökonomisches Laufen zu ermöglichen

54 Versteifung der Lendenwirbelsäule Aus: Hildebrand & Goslow (2004) Vergleichende und funktionelle Anatomie der Wirbeltiere, Springer Verlag, Berlin

55 Lendenwirbel eines Rindes

56 Führungsgrate in Gelenken Astragalus Rind Aus: Hildebrand & Goslow (2004) Vergleichende und funktionelle Anatomie der Wirbeltiere, Springer Verlag, Berlin Mensch

57 Soll die Reduktion der Randstrahlen bei Huftieren die Reibung verringern?

58 1. Die Reibung ist von der Auflagefläche unabhängig! Das Reibungsgesetz F R F N F R F N

59 2. Die Reibung ist wichtig beim Laufen! H. U. Pfretzschne

60 Aus: Nachtigall (2001) Biomechanik, Vieweg,Braunschweig H. U. Pfretzschne

61 Kräfte beim Kurvenlaufen Aus: Hildebrand & Goslow (2004) Vergleichende und funktionelle Anatomie der Wirbeltiere, Springer Verlag, Berlin

62 Gibt es bei Wirbeltieren eine Gangschaltung?

63 Der Astragalus der Paarhufer mit doppelter Gelenkrolle H. U. Pfretzschne

64 Funktion des Sprunggelenks beim Hund Aus: Schaeffer (1947) Notes on the origin and function of the artiodactyl tarsus. American Museum Novitates, 1356, 1-24

65 Funktion des Astragalus im Fuß der Ziege Aus: Schaeffer (1947) Notes on the origin and function of the artiodactyl tarsus. American Museum Novitates, 1356, 1-24

66 Funktion des Astragalus im Fuß der Ziege Aus: Schaeffer (1947) Notes on the origin and function of the artiodactyl tarsus. American Museum Novitates, 1356, 1-24

67 Übersetzungsverhältnis der Hebelarme 1 : 3,6 1 : 2,6 Verändert nach: Schaeffer (1947) Notes on the origin and function of the artiodactyl tarsus. American Museum Novitates, 1356, 1-24

68 Verschiedene Arten von Gangschaltungen im Wirbeltierkörper: 1. Veränderung der Hebelübersetzung während der Bewegung 2. Unterschiedliche Hebelarme synergistischer Muskeln 3. Intramuskuläre Gangschaltung durch schnelle und langsame Muskelfasern

69 Unterschiedliche Untersetzungsverhältnisse der Muskeln am Bein des Vicuna Aus: Hildebrand & Goslow (2004) Vergleichende und funktionelle Anatomie der Wirbeltiere, Springer Verlag, Berlin

70 Das Bein des Menschen Aus: Tortora und Derrickson (2008) Anatomie und Physiologie. Wiley-Blackwell, Weinheim Aus: Voss & Herrlinger (1983) Taschenbuch der Anatomie. Bd. I Gustav Fischer Verlag, Stuttgart. H. U. Pfretzschne

71 Aus: Nachtigall (1971) Biotechnik. Quelle & Meyer, Heidelberg. H. U. Pfretzschne

72 Femur, distal A.L.129-1a Aus: Johanson & Coppens (1976) A Preliminary Anatomical Diagnosis of the First Plio/Pleistocene Hominid Discoveries in the Central Afar, Ethiopia. Am. J. Phys. Anthrop., 45,

73 Femur, distal A.L.129-1a 75

74 Bicondylar angle in hominids Aus: Aiello & Dean (1990) An introduction to human evolutionary anatomy. Academic Press Limited, London.

75 Distalansicht des Femurs Aus: Aiello & Dean (1990) An introduction to human evolutionary anatomy. Academic Press Limited, London.

76 Distalansicht des Femurs Aus: Aiello & Dean (1990) An introduction to human evolutionary anatomy. Academic Press Limited, London. Aus: Johanson & Coppens (1976) A Preliminary Anatomical Diagnosis of the First Plio/Pleistocene Hominid Discoveries in the Central Afar, Ethiopia. Am. J. Phys. Anthrop., 45,

77 Australopithecus Mesohippus lateral medial lateral medial

78 Tibia, proximal A.L b H. U. Pfretzschne Aus: Johanson & Coppens (1976) A Preliminary Anatomical Diagnosis of the First Plio/Pleistocene Hominid Discoveries in the Central Afar, Ethiopia. Am. J. Phys. Anthrop., 45,

79 Fußabdrücke aufrecht gehender Australopithecinen (Laetoli, 1978) H. U. Pfretzschne

80

81

82

83

84

85

86 Krümmung der proximalen Phalangen H. U. Pfretzschne

87 Ardipithecus ramidus (Aramis, Ethiopia, 4,4 Mio) Aus: Science Oktober 2009, 326, Aus: Science Oktober 2009, 326,

88 Ardipithecus ramidus (Aramis, Ethiopia, 4,4 Mio) Aus: Science Oktober 2009, 326, Aus: Science Oktober 2009, 326,