NZZ Folio 04/07 - Thema: Heiraten   Inhaltsverzeichnis

Von Tieren -- Wie die Vögel fliegen lernten

Warum fliegen Vögel? Diese einfache Frage beschäftigt die Wissenschafter seit Jahrhunderten.
So viel zumindest glauben sie zu wissen: Die Vögel entstanden aus Dinosauriern.

Von Herbert Cerutti
Der winzige Kolibri hängt beim Nektarsammeln wie ein Helikopter schwebend über der Blüte und hält mit 70 Flügelschlägen pro Sekunde seine Fluglage stabil. Der Albatros zieht mit einer Flügelspannweite von über 3 Metern mit 100 Kilometern pro Stunde monatelang über die südlichen Weltmeere, wobei er die Windströmungen dicht über den Wellenkämmen zum mühelosen Gleitflug nutzt. Fliegt der Albatros weniger als 60 Kilometer pro Stunde, reisst die Strömung am extrem schmalen Flügelprofil ab – das Landen und Starten auf Inseln wird zum heiklen Manöver.

Die beiden aerodynamischen Extreme illustrieren die Vielfalt, mit denen die Vögel den Luftraum erobert haben. Indem vor Urzeiten Landtiere auch noch den Himmel zu nutzen lernten, liessen sich nun Ozeane und Wüsten überwinden und Nahrungsressourcen erschliessen, die vorher nicht zugänglich gewesen waren.

Man hatte in der Fachwelt lange gerätselt, wie sich wohl die Vögel aus ihren flugunfähigen Vorfahren entwickelt hatten. 1860 fanden Arbeiter im Kalksteinbruch bei Solnhofen in der Fränkischen Alb in 150 Millionen Jahren altem Sedimentgestein den versteinerten Abdruck einer Feder, die einer heutigen Vogelfeder auffallend glich. Dies liess darauf schliessen, dass es schon zur Blütezeit der Dinosaurier vogelähnliche Wesen gegeben haben muss.

Die fieberhafte Suche der Forscher nach dem zur Feder gehörenden Tier hatte ein Jahr später Erfolg. Man fand im gleichen Steinbruch ein Skelett mit Flügeln und einem langen, gefiederten Echsenschwanz, wobei das Fossil Merkmale sowohl von Vögeln als auch von Reptilien trug.

Mit diesem «Urvogel», dem Archaeopteryx, habe man endlich das bisher vermisste Zwischenglied in der Entwicklung von den Reptilien zu den Vögeln gefunden, jubelten die Evolutionsspezialisten. Gewisse anatomische Details liessen jedoch daran zweifeln, dass der Archaeopteryx fliegen konnte. So fehlte etwa das für Vögel typische starke Brustbein, weshalb das Tier auch nicht über die für das Fliegen nötige Muskulatur verfügt haben dürfte. Der «Urvogel» war ein eher dürftiger Vorläufer der heutigen Vogelarten.

Leichtbauweise

In den 1990er Jahren buddelten chinesische Paläontologen in der Provinz Liaoning nordöstlich von Peking eine Reihe von Fossilien aus, die gleich mehrere Entwicklungsschritte vom Reptil zum Vogel belegten.

Alle Funde gehörten zu den Theropoden, einem kleinen, räuberischen Sauriertyp, der, auf den Hinterbeinen rennend, die vorderen, kurzen Extremitäten zum Greifen der Beute nutzen konnte. Sinosauropteryx prima hatte am Rücken einen dunklen, fransigen Saum – den Vorläufer eines Federkleides. Der Saurier war ein Warmblüter – sonst wäre ein Leben als schneller Jäger nicht möglich gewesen – , der Rückenflaum diente vermutlich als Kälteschutz.

Caudipteryx zoui, ein weiteres Fossil, besass an Armen und Schwanz bereits richtige Federn, mit denen er womöglich beim schnellen Lauf balancieren konnte. Eine gefiederte Hülle schützt nun auch die heutigen Vögel vor der Kälte in luftiger Höhe. Das Federkleid ist aber zudem zur aerodynamischen Hilfe geworden.

Wer tüchtig fliegen will, muss an allen Ecken und Enden Gewicht sparen. Schon der Körperbau der Dinosaurier hatte diverse gewichtsvermindernde Eigenheiten, die der Entwicklung zum fliegenden Wesen nützten. So waren die Knochen bei manchen Sauriern hohl und dünnwandig, was das Gewicht trotz enormer Körpergrösse in Grenzen hielt. Dank den luftgefüllten Wirbeln dürfte der 28 Meter lange Diplodocus lediglich um die zehn Tonnen schwer gewesen sein – nicht viel mehr als ein heutiger Elefant.

Hohle Knochen sind nun auch bei den Vögeln ein entscheidender Vorteil. Ein Steinadler ist trotz einer Körperlänge von fast einem Meter und einer Spannweite von zwei Metern lediglich vier Kilogramm schwer, wobei sein Skelett nur etwa 200 Gramm wiegt. Eine Blaumeise schliesslich kommt noch auf elf Gramm Körpergewicht. Die luftgefüllten Vogelknochen sind sogar leichter als Wasser.

Ein Vogelknochen muss trotz Leichtbauweise den enormen Kräften beim Fliegen standhalten. Beim schweren Greifvogel sind die Knochenhohlräume mit x-förmigen Stützen verstrebt; Kleinvögel kommen mit dünnen Stützbälkchen im Knocheninnern aus. Im Dienste der Leichtbauweise steht auch die Umwandlung des Raubtiergebisses mit seinen zahnbewehrten Kiefern zum leichten Hornschnabel. Selbst dort, wo der Schnabel heute zum imposanten Körpermerkmal entwickelt ist, etwa bei den Tukanen und den Nashornvögeln, sorgt ein schwammiges Knochengerüst dennoch für minimales Gewicht.

Der Verzicht auf ein Gebiss bedingte für die Vögel einen Menuwechsel: Anstelle von Grünzeug und grösserer tierischer Beute wurden nun Insekten und Früchte konsumiert. Solche leichtverdauliche, energiereiche Kost ist wiederum eine Voraussetzung für den energieintensiven Flugbetrieb. Da das Verdauen der proteinreichen Speisen keinen riesigen Magen und langen Darm mehr nötig machte, sparten die Vögel auch hier Gewicht.

Atmende Knochen

Als weitere Optimierung haben die Vögel zwischen der Haut und den inneren Organen fünf Paare von Luftsäcken, die sich beim Atmen erweitern oder zusammenpressen. Indem diese Luftsäcke direkt mit der Lunge und mit den Luftkammern in den hohlen Knochen verbunden sind, verfügt der Vogel über ein ausgedehntes Atemsystem, das bis zu 80 Prozent der gesamten Körperhöhle ausmachen kann. Die pneumatischen Knochen, also der Einbezug der Knochen ins Atemsystem, sind ein raffinierter Trick, den auch Krokodile von den Urechsen übernommen haben.

Die Lunge selber ist beim Vogel relativ klein; sie arbeitet jedoch völlig anders als beim Säugetier. Während beim Säuger nach dem Einatmen der Gasaustausch in den Lungenbläschen stattfindet und die verbrauchte Luft wieder denselben Weg zurück nehmen muss (wobei eine unproduktive Restmenge in der Lunge verbleibt), arbeitet die Vogellunge im Durchlaufprinzip. Die Atemluft wird durch die Lunge hindurch über eine Vielzahl feinster Röhrchen gepresst, die eng von den Blutkapillaren umsponnen sind, was sehr kurze Diffusionsstrecken und somit einen äusserst effizienten Gasaustausch ermöglicht.

Beim Einatmen füllen sich erst die hinteren Luftsäcke. Während des folgenden Ausatmens drücken die Luftsäcke ihren Inhalt wie ein Blasbalg durch die Lunge hindurch. Beim nächsten Einatmen füllen sich die hinteren Luftsäcke erneut, und die in der Lunge soeben verbrauchte Luft macht in den vorderen Luftsäcken Pause. Das anschliessende Ausatmen befördert die verbrauchte Luft über die Luftröhre ins Freie, während die Lungen aus den hinteren Luftsäcken frisch versorgt werden.

Das Superherz des Kolibris

Das ständige Fliessen der Luft durch die Lungen ermöglicht dem Vogel ein Fliegen selbst in grosser Höhe. Streifengänse fliegen auf ihrem 14 000 Kilometer langen Nonstop-Flug problemlos über den Gipfel des Mount Everest, wo der Sauerstoffgehalt der Luft nur ein Drittel jener Menge auf Meereshöhe ist. Die hervorragende Sauerstoffversorgung erlaubt den Vögeln den Betrieb von Hochleistungsmotoren. Arbeitet bereits bei der Amsel das Herz mit 350 Schlägen pro Minute, rast das Kolibriherz mit unglaublichen 1200 Schlägen. Das für eine solche Leistung nötige Superherz macht 28 Prozent des Kolibrigewichts aus. Wenig verwunderlich, dass die heissen Öfen der Vogelwelt mit Betriebstemperaturen zwischen 41 und 43 Grad arbeiten.

Fliegt eine Amsel geradeaus, schlägt sie die Flügel nicht einfach auf und ab, sondern führt sie in einer Ellipse von hinten oben nach vorne unten. Am Ende des Abschlags wird die Handschwinge (das aus der Saurierhand entstandene äussere Ende des Flügels) mit der Wölbung nach innen gedreht, was für den nötigen Vortrieb sorgt. Die grosse Armschwinge aber zeigt weiterhin mit der Wölbung nach unten und sorgt so für den Auftrieb. An den fossilen Theropoden finden sich sowohl das seitlich abknickbare Handgelenk als auch der lange, faltbare Arm. Diese anatomische Veränderung hat dem räuberischen Zweibeiner das Packen der Beute erleichtert, dem Vogel liefert sie die Voraussetzung zur Entwicklung eines funktionierenden Flügels.

Jetzt fehlte dem Dinosaurier zum Fliegen noch das aerodynamisch passende Federkleid. Als sich die Saurierfedern zu den unterschiedlichen Federtypen eines Vogels entwickelten – die Daunenfeder sorgt für den Kälteschutz, die asymmetrische Schwungfeder dient dem Auftrieb, die Schwanzfeder dem Steuern –, war der Weg in den Himmel frei. Dass die Federvielfalt auch noch dem Schmuck oder der Tarnung nützt, zeigt einmal mehr den Einfallsreichtum der Natur.

Herbert Cerutti ist Wissenschaftsjournalist; er lebt in Wofhausen.

Leserbriefe:

Zu Von Tieren -- Wie die Vögel fliegen lernten - NZZ-Folio Heiraten (04/07)

Der Titel ist vielversprechend. Ich wüsste gern, wie die Vögel das Fliegen gelernt haben. Aber was dann Herbert Cerutti geschrieben hat, enttäuschte mich. Auf den zwei Seiten steht nichts davon, wie die Vögel fliegen lernten. Nun ist das zwar verständlich, denn sie mussten das Fliegen nie lernen. Sie konnten es von Anfang an. Die typischen Merkmale der Vögel, nämlich Federn, geeignet zum Fliegen, ein Gehirn, das die Bewegungen der Flügel optimal koordiniert, hohle Knochen um Gewicht zu sparen, eine völlig neu konzipierte Lunge, atmende Knochen und ein aerodynamisches Federkleid mussten alle gleichzeitig vorhanden sein. Evolution erlaubt das nicht. Mutationen bringen zudem keine neuen Baupläne zustande, denn um einen neuen Bauplan zu verwirklichen, sind gleichzeitig Tausende, wenn nicht Millionen von spezifischen Mutationen nötig. Und dazu fehlt schlicht die Zeit. Die Entwicklung von Vögeln aus Dinosauriern ist völlig unglaubwürdig, wenn man sie näher betrachtet. Noch nie ist beobachtet worden, wie ein neues Organ durch Makroevolution entstanden ist. Im Gegensatz dazu hat man Mikroevolution durch Mutationen schon oft beobachtet. Der spezifizierte Inhalt von Information in der DNS muss bei Makroevolution in vielen Genen gleichzeitig und streng koordiniert verändert werden. Das ist mit Mikromutationen undenkbar. Selbst wenn man sich evolutionistische Szenarien vorstellt, die unrealistisch sind, kommt Haldane zum Schluss, dass die Zeit, die man auf Grund der geologischen Gegebenheiten hat, nicht reicht.
Hansruedi Stutz, Dietlikon



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