Kleiner Rochen, der mit zwei beinähnlichen Flossen über den Meeresboden huscht. (Jung et al./NYU) Die allerersten Wirbeltiere, die unseren Planeten betraten, könnten dies in den Tiefen des Ozeans getan haben, Millionen von Jahren bevor ihre späteren Verwandten an Land gingen.
Im Jahr 2018 waren Wissenschaftler schockiert zu finden der kleine Rochenfisch ( Leucoraja erinacea ) und einige Basalhaie waren in der Lage, sich über den Meeresboden fortzubewegen, indem sie viele der gleichen neuronalen Schaltkreise nutzten, die wir heute zum Gehen nutzen.
Im Allgemeinen geht man davon aus, dass Wirbeltiere erst laufen lernten, als sie vor etwa 380 Millionen Jahren begannen, das Meer zugunsten der Küste zu meiden. Doch weitere Modelle basierend auf dem kleinen Rochenfisch – einem der urtümlichsten Tiere mit Rückgrat – lassen auf einen viel tieferen Ursprung, möglicherweise vor mehr als 400 Millionen Jahren, schließen.
Anhand veröffentlichter Videodaten zur Bewegungsdynamik dieses benthischen Lebewesens haben Mathematiker ein Modell entwickelt, um zu untersuchen, wie sich frühe beinartige Bewegungen in der Tiefsee entwickelt haben könnten.
Das einfache Modell, das sie erstellt haben, sagt die effizienteste, kontrollierte und ausgewogenste Art des Gehens in einer Umgebung mit neutralem Auftrieb voraus: Das beste Ergebnis erfordert ein Wechselmuster zwischen linkem und rechtem Fuß, das dem Watscheln des kleinen Schlittschuhs sehr ähnlich ist.
Darüber hinaus erfordert diese Art des Trampelns keinen zusätzlichen Energieaufwand und könnte mit der Zeit durch ein einfaches Lernschema verstärkt werden.
„Im Kontext unseres Modells deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass trotz des riesigen Lösungsraums von Gangarten eine links-rechts alternierende zweibeinige Kontrollstrategie entdeckt werden kann und wird und die optimale Lösung für energieeffiziente Fortbewegung darstellt“, so die Autoren der Studie schreiben .
Ein reales Beispiel dieses uralten Organismus zu finden, ist vergleichbar mit der Entdeckung eines „ Nadel im Heuhaufen ', gibt das Team zu, sagt aber, dass nur rudimentäre Beine nötig wären, um dieses Muster der Fußplatzierung zu erreichen. Nachdem sich diese fußähnlichen Flossen entwickelt hatten, hätte das uralte Lebewesen nur noch eine minimale neuronale Kontrolle über seine neuen und verbesserten Gliedmaßen erlangen müssen.
Nach vier Lernepisoden im Modell begann sich eine einbeinige Fortbewegungsstrategie abzuzeichnen. Nach 200 Episoden setzte sich das zweibeinige Laufmuster durch. In der 600. Folge begann die modellierte Kreatur, zwischen linken und rechten Schritten zu wechseln.
Bei der Durchführung von rund 50 Lernvorgängen über 5.000 Episoden, einschließlich verschiedener Lernparameter und Belohnungen, stellten die Autoren fest, dass in 70 Prozent aller Fälle die beste Lösung zum Laufgang des kleinen Schlittschuhläufers passte.
Diese einfache Kontrollstrategie legt nahe, dass das Gehen in der Tiefsee ein robustes und effizientes Verhalten ist, das dem passiven Gehen ähnelt, wie das schleichende Spielzeug, das einen Hang hinunter „läuft“, ohne dass eine komplexe Steuerung erforderlich ist, sondern nur die Schwerkraft.
Der kleine Schlittschuh ist natürlich kein völlig passiver Trottel. Seine Gehirnzellen steuern immer noch sechs Muskeln für die Bewegung, aber die Autoren sagen Dieses System nutzt die gleichen Prinzipien wie ein passives: „Anhaltende Fortbewegung unter einer konstanten Energiequelle ohne Rückkopplungskontrolle.“
Die Autoren sind sich nicht sicher, warum der kleine Schlittschuh einen langsamen Meeresbodengang entwickelt hat, sie vermuten jedoch, dass dies effizienter und kosteneffektiver ist als das Schwimmen in einem ähnlichen Tempo. Weitere Stoffwechselstudien an dem Tiefseelebewesen müssen diese Idee bestätigen.
Manchmal benutzt der kleine Schlittschuh in freier Wildbahn beide Beine gleichzeitig, um nach vorne zu stoßen und schnell seinen Links-Rechts-Lauf anzustoßen. Diese Art von Bewegung wurde im Modell nicht gefunden, aber die Autoren glauben, dass sie bevorzugt werden könnte, wenn eine schnellere Beschleunigung erforderlich ist und die Energieeffizienz nicht so wichtig ist. Dieser ungewöhnliche Kahn erfordert etwas mehr Arbeit.
„Die Kombination aus einer zuverlässigen Umgebung mit geringer Schwerkraft und einer auf Beinen basierenden Körpermorphologie hat möglicherweise dazu beigetragen, den Weg für zweibeinige Gangarten zu ebnen, bevor unsere im Wasser lebenden Vorfahren auf festes Festland übergingen.“ sagt der angewandte Mathematiker Lakshminarayanan Mahadevan von der Harvard University.
„Als unsere alten Vorfahren auf das Land übergingen, wurde die Kontrollstrategie wahrscheinlich komplexer. Aber in zuverlässig homogenen Umgebungen wie dem Meeresboden war vielleicht eine einfache Strategie nötig.“
Um dieses theoretische Modell zu ergänzen, bauten die Forscher sogar einen einfachen zweibeinigen Roboter, der auf ähnlichen Tiefseebedingungen basiert. Letzten Endes zeigte das Verhalten dieses Roboters verblüffende Ähnlichkeiten mit dem idealen Läufer ihres Modells. Sein regelmäßiges Schrittmuster erfordert keine zusätzliche Energie und wellenförmig auf beiden Seiten des Körpers, um Stabilität zu gewährleisten.
Der Roboter neigt jedoch dazu, etwas schneller zu gehen als der kleine Schlittschuh.
Die Autoren geben zu, dass sie vielleicht nie genau wissen, wie der erste Gehgang entstand, aber ihr Modell hilft dabei, einige der passiven Dynamiken und neuronalen Schaltkreise zu verfeinern, die in lebenden Organismen beobachtet werden.
„Um zu verstehen, wie Gehirn, Körper und Umwelt in heterogenen aquatischen und terrestrischen Umgebungen zusammenarbeiten, musste wahrscheinlich propriozeptives Feedback einbezogen werden“, so die Autoren vorschlagen .
„Aber in zuverlässig homogenen Umgebungen begann vielleicht alles mit der hier quantifizierten einfachen Strategie.“
Die Studie wurde im veröffentlicht Zeitschrift der Royal Society Interface .