Stromlinienform bei Fischen - ein Unterrichtsbeispiel

In vielen Klassen der Wirbeltiere gibt es Arten, deren Körper spindelförmig ist (aus Toepfer).

Es gibt zwei ganz unterschiedliche, aber eng zusammenhängende Fragestellungen:
Welchen Vorteil haben Tiere durch diese Form?
Wie ist diese Ähnlichkeit entstanden?

Die Frage nach dem Vorteil ist für Jahrgangsstufe 6 oder 7 geeignet.
Die Frage nach den Gründen der Ähnlichkeit kann in einem Evolutionskurs bearbeitet werden.

Welchen Vorteil haben Tiere mit dieser Form?

Wasser ist der Lebensraum aller oben abgebildeten spindelförmigen Tiergestalten. Der Gedanke liegt nahe, dass die Form für die Bewegung im Wasser vorteilhaft ist. Mit der abgebildeten Rundstromanlage kann der Widerstand von Körpern verglichen werden.

Versuchsaufbau
Die Abbildung zeigt die Bauteile, die zu der Versuchsserie notwendig sind. In die Mitte des Deckels einer Tortenplatte klebt man eine Plastikschüssel von geeigneter Höhe.

Auf dem Rand und dem Boden der Schüssel liegt ein Brett mit einer Bohrung auf; es trägt eine Aquarienpumpe, deren Ansaugstutzen durch die Bohrung nach unten ragt. Das Wasser strömt durch ein kurzes Schlauchstück in das Rundbecken.

Aus Knet- oder Fimomasse können Testkörper geformt werden. Die Masse der Testobjekte sollte gleich sein. Die Form wird an einem starren Draht befestigt und so aufgehängt, dass der Draht über dem Nullpunkt des Winkelmessers liegt. Die Figur sollte möglichst weit von dem Schlauchende entfernt eingehängt werden, weil dort die Strömung am gleichmäßigsten ist.

Die folgenden Bilderserien zeigen Versuche mit einem Würfel, einer Kugel und einer Spindel.

Die Ergebnisse sind „halbquantitativ“, da es bei dem einfachen Aufbau bei jeder Berührung des Schlauches zu Veränderungen der Strömungsverhältnisse kommt.

Bei Versuch 1 und 2 sollte man bedenken, dass die Querschnittsfläche von Würfel und Kugeln fast gleich sind; an der Kugel strömt das Wasser mit geringerer Wirbelbildung vorbei.

Der folgende Artikel regte zu einem Zusatzversuch an.

Ein Fisch mit Bodenhaftung
Stillstand trotz Strömung
FAZ
Wer Grenzschichten zu nutzen weiß, kann auch in reißenden Flüssen in Ruhe leben. Das haben kürzlich Rose L. Carlson und George V. Lauder von der Harvard University in Cambridge (Massachusetts) herausgefunden, als sie den kaum fingerlangen Grundelbarsch Etheostoma tetrazonum entsprechenden Tests unterzogen („The Journal of Experimental Biology", Bd. 214, S. 1181). Das in Missouri heimische Fischlein tummelt sich in Flüssen, deren Fließgeschwindigkeit bisweilen an zwanzig Kilometer pro Stunde heranreicht. In einem Strömungskanal wurde die Bewegung des Wassers genau vermessen.
Da Wasser an festen Gegenständen haftet, kann es erst in einem gewissen Abstand ungestört fließen. Auf einer glatten Fläche aus Plexiglas betrug die Schicht, in der die Strömung merklich gebremst wurde, nur ein bis zwei Millimeter. Über steinigem Terrain – typisch für den Lebensraum der Forschungsobjekte – registrierten die Wissenschaftler dagegen mitunter eine fast zwei Zentimeter dicke Grenzschicht. Meist kürzer und dünner als ein menschlicher Finger, dürften die Grundelbarsche selten darüber hinausragen.
Auf den ersten Blick gleichen sie ansonsten ganz gewöhnlichen kleinen Fischen, nur ihren Brustflossen sind auffallend groß. Anders als bei manchen Arten von Haien können diese Brustflossen aber nur wenig negativen Auftrieb erzeugen, helfen also kaum, den Körper gegen das Flussbett zu drücken. Um ihre Bodenhaftung zu erhöhen, setzen die Grundelbarsche eher auf Reibungskräfte: Sie schmiegen sich eng an den Untergrund. Wie erfolgreich sie mit dieser Taktik sind, zeigen die Grundelbarsche mit 240 verschiedenen Arten, die Nordamerikas Bäche und Flüsse bevölkern. Nahrung finden sie dort reichlich, denn etliche Insektenlarven sind ebenfalls Grenz- schicht-Bewohner.
15. Feb 2012 D.K.
Anmerkung
Der Satz „Um ihre Bodenhaftung zu erhöhen, setzen die Grundbarsche eher auf Reibungskräfte.“ ist falsch formuliert.

Der Versuch mit der aus stärkerer Plastikfolie ausgeschnittenen Form, macht den Randeffekt deutlich.

Wie ist diese Ähnlichkeit entstanden?

Analogie und Homologie sind alternative Erklärungen für die Ähnlichkeit von Strukturen oder Funktionen.

Analogien sind Strukturähnlichkeiten, die ähnliche Funktionen haben. Sie sind definitionsgemäß nicht an einzelne taxonomische Gruppen gebunden. So ist die typische Spindelform mehrfach und unabhängig in verschiedenen Verwandtschaftsgruppen entstanden. Der innere Bauplan von Delphin und Schwertfisch ist verschieden, der äußere Funktionsplan ist aber ähnlich. Diese Ähnlichkeit wird mit der Selektionstheorie erklärt. Die Ähnlichkeiten gehen auf Naturgesetze (Strömungslehre) zurück und an ihnen können biologische Gesetzmäßigkeiten untersucht werden.

Ist der Untersuchungsschwerpunkt die Stammesgeschichte (Phylogenese), so untersucht man Homologien (Analogien können die tatsächliche Verwandtschaft verdecken). Homologien werden mit der Deszendenztheorie erklärt bzw. sind ihre Grundlage.
Homologie: „Ein Merkmal zweier oder mehrer Taxa ist homolog, wenn es sich von demselben (oder einem entsprechenden) Merkmal ihres nächsten gemeinsamen Vorfahren ableitet.“ Ernst Mayr

Entwicklungszwang
Beschränkung, Einschränkung – biological constraints. Den Organismen sind durch ihr Genom und/oder durch ihre Entwicklungsgeschichte Grenzen gesetzt. Auch die Umwelt könnte Grenzen setzen. Katzen(artige) und Hunde(artige) sind ausgeprägte Gruppen (adaptive peaks) – es gibt keine Übergangsarten dazwischen. Der Grund dafür könnte auch sein, dass es ökologische Nischen für Katzen und Hunde gibt, aber keine für zwischenartige Tiere.
Analogie
In der Stammesgeschichte sind mehrmals unabhängig voneinander ähnliche Organe mit gleicher Funktion unter ähnlichen Umweltbedingungen entstanden. Flügel, Flossen, Stromlinienform …
Im Bereich der Bionik gibt es ausschließlich Analogien – sie gehen allerdings auf Pläne der Techniker zurück.
Homologie
Die Ähnlichkeiten, die auf die Stammesgeschichte zurück gehen, belegen eine Verwandtschaft. Homologien können zur Aufstellung eines Stammbaums genutzt werden. Homologe Organe müssen nicht auf den ersten Blick ähnlich sein: Vorderextremität Säugetier – Fledermausflügel.
Coadaptation
Diese Ähnlichkeiten sind selten – ein Beispiel ist Mimikry. Auch „Ähnlichkeit“ zwischen Blütentypen und Mundwerkzeugen von Insekten sind Coadaptationen.

nach: Toepfer, Georg: Historisches Wörterbuch der Biologie: Geschichte und Theorie der biologischen Grundbegriffe, Stuttgart 2011

Schiffe und besonders U-Boote werden nach dem Vorbild der Natur konstruiert. Das Bild zeigt den Stapellauf der Skipjack.

Nicht nur im Lebensraum Wasser spielt der Strömungswiderstand eine Rolle sondern auch an Land. Wenn man gemütlich schlendert, bemerkt am ihn kaum; hält man aber die Hand aus dem Fenster eines fahrenden Autos, so wirkt eine deutliche Kraft ein.

Autos und Flugzeuge werden im Windkanal getestet und ihre Form nach aerodynamischen Gesichtspunkten optimiert. Die beiden abgebildeten Autos zeigen, die Verbesserung des cW-Wertes – der Vergleich macht aber auch deutlich, dass sich die Funktion (bequem sitzend transportiert zu werden) verschlechtert.

DeCicco, John and Ross, Marc: Improving Automotive Efficiency, Scietific American 12/1994

Für Tiere, die schnell fliegen, spielt der Strömungswiderstand eine Rolle. Bei Vögeln findet man eine Fülle von Angepasstheiten – sie sind sehr vielschichtig, da ein Kompromiss zwischen „laufen können“ und „fliegen können“ notwendig ist.

Neben Wasser und Luft gibt es einen dritten sehr speziellen Lebensraum, bei dem der Strömungswiderstand eine wichtige Rolle spielt. Das ist der Sand – „zäher“ noch als Wasser.

Der „Sandfisch“ ist ein Reptil, das in Wüsten lebt. Bei Gefahr (Schlangen, Greifvögel, Wüstenwaran) oder bei zu großer Hitze kann das Tier sehr schnell in dem Sand abtauchen. Die Körperform und die glatte Oberfläche ermöglichen ihm unter der Oberfläche Geschwindigkeiten bis zu 15cm pro Sekunde.
Die Augenlider des Tieres sind durchsichtig.