Ein Team der Yamaguchi-Universit\u00e4t in Japan hat eine mechanische Eigenschaft der Katzenwirbels\u00e4ule identifiziert, die dabei hilft zu erkl\u00e4ren, wie Katzen sich in der Luft drehen k\u00f6nnen, um auf ihren Pfoten zu landen. In ihrer peer\u2011reviewten Studie, ver\u00f6ffentlicht in The Anatomical Record, fanden die Forscher heraus, dass sich der thorakale (obere R\u00fccken) Bereich der Katzenwirbels\u00e4ule mit minimalem Aufwand um nahezu 50 Grad verdrehen kann, w\u00e4hrend der lumbale (untere R\u00fccken) Bereich steif bleibt. Dieser Unterschied in der Flexibilit\u00e4t erm\u00f6glicht es Katzen, Vorder- und Hinterk\u00f6rper beim Sturz unabh\u00e4ngig voneinander zu drehen und liefert biomechanische Belege f\u00fcr ein physikalisches R\u00e4tsel, das seit mehr als einem Jahrhundert besteht.<\/p>\n
Die Forscher der Yamaguchi-Universit\u00e4t f\u00fchrten mechanische Tests an Wirbels\u00e4ulen von f\u00fcnf Katzenkadavern<\/a> durch und verglichen die axialen und torsionalen Eigenschaften der thorakalen und lumbalen Segmente. Die thorakale Wirbels\u00e4ule zeigte, was das Team als einen \u201eneutralen Bereich\u201c beschreibt, einen Rotationsbereich, der nahezu keine Muskelkraft erfordert. Innerhalb dieses Bereichs kann sich der obere R\u00fccken um bis zu etwa 50 Grad drehen, bevor sp\u00fcrbarer Widerstand auftritt. Die lumbale Wirbels\u00e4ule hingegen ist von hoher Steifigkeit und widersteht von vornherein der Verdrehung.<\/p>\n Diese Asymmetrie ist bedeutsam, weil sie der Katze zwei mechanisch unterschiedliche K\u00f6rpersegmente verleiht, die durch ein flexibles Gelenk verbunden sind. Wenn eine Katze kopf\u00fcber f\u00e4llt, kann sie zuerst ihre Brust drehen und den geringwiderst\u00e4ndigen thorakalen Bereich nutzen, w\u00e4hrend die steifere Lendenregion das Hinterteil relativ ruhig h\u00e4lt. Die hintere K\u00f6rperh\u00e4lfte folgt dann in der Folge. Weil sich jede H\u00e4lfte separat dreht, anstatt dass der ganze K\u00f6rper gleichzeitig rotiert, ben\u00f6tigt die Katze kein \u00e4u\u00dferes Drehmoment oder einen Absto\u00df von einer Oberfl\u00e4che, um sich zu drehen. Sie erh\u00e4lt ihren Drehimpuls w\u00e4hrend des Falls, was genau den Anforderungen der klassischen Physik an einen K\u00f6rper im freien Fall entspricht.<\/p>\n Die Frage, wie sich eine Katze in der Luft aufrichtet, reicht bis ins sp\u00e4te 19. Jahrhundert zur\u00fcck, als der franz\u00f6sische Wissenschaftler \u00c9tienne\u2011Jules Marey eine ber\u00fchmte chronophotografische Sequenz einer fallenden Katze erstellte. Diese Bildserie, heute im Smithsonian\u2011Archiv<\/a> erhalten, zeigte deutlich, dass Katzen ohne sichtbaren Drehsto\u00df umdrehen konnten. Das Ergebnis verbl\u00fcffte Physiker, weil es scheinbar das Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses verletzte: Wie konnte ein K\u00f6rper mit anf\u00e4nglich null Rotation am Ende in die entgegengesetzte Richtung zeigen?<\/p>\n Im Laufe der Zeit wurde das R\u00e4tsel zu einem Standardfall theoretischer Arbeiten der Dynamik. Eine j\u00fcngere \u00dcbersicht in einem physikalischen \u00dcbersichtsjournal<\/a> beschreibt das Fall\u2011Katzen\u2011Problem als ein kanonisches Beispiel daf\u00fcr, wie K\u00f6rper sich ohne \u00e4u\u00dferes Drehmoment allein durch innere Form\u00e4nderungen neu orientieren k\u00f6nnen. Die \u00dcbersicht stellt fest, dass Luftwiderstand allein kaum die Rotation erkl\u00e4ren kann, wodurch eine rein aerodynamische Erkl\u00e4rung unzureichend ist. Modelle, die Biegung des K\u00f6rpers, das Anziehen der Gliedma\u00dfen und Schwanzbewegungen einbeziehen, verbreiteten sich, doch direkte biomechanische Belege aus der Wirbels\u00e4ule selbst blieben rar, bis die Yamaguchi\u2011Studie quantifizierte, wie sich die verschiedenen Wirbels\u00e4ulenregionen tats\u00e4chlich unter Verdrehung verhalten.<\/p>\n Die Forscher belassen es nicht bei Labortests an Wirbels\u00e4ulen. Sie analysierten auch lebende Katzen mit Hochgeschwindigkeitsvideo und Marker\u2011Tracking, um die Abfolge der Rumpfdrehung beim Luftaufrichten<\/a> zu beobachten. Die Motion\u2011Capture\u2011Daten best\u00e4tigten ein sequentielles Muster: Zuerst rotiert der vordere K\u00f6rper, dann der hintere. Diese Abfolge stimmt eng mit den Vorhersagen der mechanischen Tests \u00fcberein. Die thorakale Neutralzone erm\u00f6glicht die anf\u00e4ngliche, energiearme Verdrehung, und die lumbale Steifigkeit liefert den starren Gegenpol, der es dem Hinterteil erlaubt, anschlie\u00dfend zu rotieren, ohne die Drehung des Vorderk\u00f6rpers zu neutralisieren.<\/p>\n Die meiste fr\u00fchere Berichterstattung zum Aufrichtreflex behandelte ihn als einen einzigen koordinierten Flip. Die Ergebnisse aus Yamaguchi deuten auf einen st\u00e4rker segmentierten Prozess hin, der von den eingebauten mechanischen Eigenschaften des Skeletts abh\u00e4ngt, statt davon, dass die Katze eine perfekt getimte gymnastische Bewegung ausf\u00fchrt. Die Architektur der Wirbels\u00e4ule kann passiv zur Durchf\u00fchrung der Bewegung beitragen, was erkl\u00e4ren k\u00f6nnte, warum selbst sehr junge K\u00e4tzchen sich aufrichten k\u00f6nnen, bevor ihre motorische Koordination vollst\u00e4ndig entwickelt ist.<\/p>\n Wirbels\u00e4ulenflexibilit\u00e4t erkl\u00e4rt das mechanische „Wie“, nicht aber den sensorischen Ausl\u00f6ser. Fr\u00fchere Experimente behandelten diese Frage direkt. Eine Studie mit chirurgischer Entfernung der Vestibularorgane<\/a> bei Katzen, sowohl ein\u2011 als auch beidseitig, zeigte mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, dass das Innenohr zentral f\u00fcr die Einleitung des Aufrichtreflexes ist. Katzen, die die vestibul\u00e4re Funktion beidseitig verloren, waren stark beeintr\u00e4chtigt in ihrer F\u00e4higkeit, sich aufzurichten, was best\u00e4tigt, dass der Reflex auf gravit\u00e4tssinnenden Signalen aus dem Innenohr beruht.<\/p>\nEin Problem, das Generationen von Physikern ratlos machte<\/h2>\n
Wie das Team Kadaverdaten mit lebenden Katzen verkn\u00fcpfte<\/h2>\n
Die sensorische Seite: Vestibul\u00e4re und visuelle Hinweise<\/h2>\n