Bis zum Ende der Kreidezeit vor rund 65 Millionen Jahren gab es sie in allen Formen und Größen – die Flugsaurier, die im Fall des berühmten Quetzalcoatlus eine Spannweite von rund zwölf Metern erreichten. Wie die Segler ihre Flugeigenschaften im Laufe der Evolution stetig optimiert haben, konnten Forscher bislang nur anhand von Skelettveränderungen beschreiben. Die Paläontologen wussten zwar, dass die Skelette der Flugsaurier allgemein immer leichter wurden, aber dennoch haben manche Flugsaurier auf einmal massive Knochenkämme am Schädel ausgebildet. Diese stehen aber dem eigentlichen Trend entgegen, da sie wieder mehr Gewicht bedeuteten. Um herauszubekommen, welche Vorteile die unterschiedlichen Schädelformen beim Flug besaßen, hat Michael Fastnacht vom Institut für Geowissenschaften der Universität Mainz 43 Flugsaurierschädel aus Deutschland, Brasilien, China und den USA untersucht: der kleinste war so groß wie ein Spatzenschädel, der längste war rund 1,5 Meter lang.
"Ich habe verschiedene Ansätze gewählt, zum einen einen klassischen mechanischen Ansatz, wo man das ganze per Hand noch rechnen kann als einen Balken, dann habe ich einen Ansatz gewählt, der aus der Architektur kommt, quasi einen statischen Ansatz, den Schädel als ein Fachwerk modelliert und die Statik innerhalb des Schädels untersucht und die dritte Methode war dann eine, die aus dem Maschinenbau entliehen ist, die so genannte Finite-Elemente-Methode, bei der eine Struktur in lauter kleine Einzelteile zerlegt wird und dann belastet wird und diese Einzelteile kann man dann berechnen."
Michael Fastnacht sah an den Daten sofort, dass die neuen Knochenkämme zwar schwerer, gleichzeitig aber wesentlich stabiler waren. Durch die höhere Stabilität konnten die Schädelknochen den Druckkräften beim Flug besser widerstehen. Auch bei der Weiterentwicklung der Armknochen stand die Stabilität im Vordergrund.
"Da ist zum Beispiel das Prinzip, wenn ich eine Struktur hohl baue, also mit einer dünnen Knochenwand und innen hohl, dann ist sie besonders stabil gegenüber solchen Belastungsarten wie Biegung und Torsion, und das sind die klassischen Beanspruchungsarten, die beim Flug auftreten und die im Fall der Flugsaurier auch beim Biss auftreten."
Als Reptilien besaßen die Flugsaurier ursprünglich auch Zähne, die im Laufe der Evolution aber in Größe und Zahl reduziert und von einem Hornschnabel abgelöst wurden. Bislang war jedoch nicht klar, warum die Tiere auf ihre Zähne verzichteten.
"Wir konnten auf diese Weise sehr schön nachweisen, dass dieser Hornschnabel die Lasten auf den Schädel gleichmäßiger verteilt als das bei Zähnen der Fall ist und dass infolge dessen dann auch die Schädel, sobald dieser Hornschnabel da ist, komplett anders gebaut werden. Sie werden plötzlich jetzt sehr, sehr schmal und sehr, sehr hoch. Mit Zähnen wäre das niemals möglich gewesen, weil diese Zähne quasi als Punktlasten gewirkt hätten und die Belastung des Schädels viel zu groß gewesen wäre. "
Mit den gewonnenen Daten konnte der Mainzer Paläontologe erstmals eine stetige Verbesserung der Flugeigenschaften nachweisen. Diese Faktoren zur Stabilität und Aerodynamik verglich er dann mit den bisherigen Stammbäumen, in denen die Verwandtschaftsverhältnisse der Flugsaurier aufgestellt sind.
"Wir konnten also diesen Analysen der Evolution, die es gibt, quasi dann Prozesse an die Hand geben und sagen: Deshalb hat sich das entwickelt, aus diesen Gründen. Aus diesen mechanischen Gründen hat dieser Schädel sich so und so verändert, hat sich quasi optimiert in bestimmte Richtungen. "
Die Flugsaurier verglich Michael Fastnacht anschließend mit den Vögeln. Obwohl sie wahrscheinlich hervorragende Segler waren, haben sie eine Eigenschaft nie entwickelt, die bei Vögeln ausgeprägt ist: eine so genannte Kinetik im Schädel. Diese mechanische Errungenschaft ist eine Hebelvorrichtung, die durch das Verschieben von Knochen einen kräftigen Biss ohne Muskelkraft ermöglicht.
"Und mit dieser Kinetik kriegen sie beispielsweise - obwohl sie sehr dünne Muskeln eigentlich haben - auch sehr große Kräfte hin, auch wie beispielsweise Papageien, die einem den Finger durchbeißen können. Das ist bei den Flugsauriern interessanterweise niemals entwickelt worden. Ich habe keine Idee, warum sie das nicht geschafft haben, warum sie das nicht mal gemacht haben. "
"Ich habe verschiedene Ansätze gewählt, zum einen einen klassischen mechanischen Ansatz, wo man das ganze per Hand noch rechnen kann als einen Balken, dann habe ich einen Ansatz gewählt, der aus der Architektur kommt, quasi einen statischen Ansatz, den Schädel als ein Fachwerk modelliert und die Statik innerhalb des Schädels untersucht und die dritte Methode war dann eine, die aus dem Maschinenbau entliehen ist, die so genannte Finite-Elemente-Methode, bei der eine Struktur in lauter kleine Einzelteile zerlegt wird und dann belastet wird und diese Einzelteile kann man dann berechnen."
Michael Fastnacht sah an den Daten sofort, dass die neuen Knochenkämme zwar schwerer, gleichzeitig aber wesentlich stabiler waren. Durch die höhere Stabilität konnten die Schädelknochen den Druckkräften beim Flug besser widerstehen. Auch bei der Weiterentwicklung der Armknochen stand die Stabilität im Vordergrund.
"Da ist zum Beispiel das Prinzip, wenn ich eine Struktur hohl baue, also mit einer dünnen Knochenwand und innen hohl, dann ist sie besonders stabil gegenüber solchen Belastungsarten wie Biegung und Torsion, und das sind die klassischen Beanspruchungsarten, die beim Flug auftreten und die im Fall der Flugsaurier auch beim Biss auftreten."
Als Reptilien besaßen die Flugsaurier ursprünglich auch Zähne, die im Laufe der Evolution aber in Größe und Zahl reduziert und von einem Hornschnabel abgelöst wurden. Bislang war jedoch nicht klar, warum die Tiere auf ihre Zähne verzichteten.
"Wir konnten auf diese Weise sehr schön nachweisen, dass dieser Hornschnabel die Lasten auf den Schädel gleichmäßiger verteilt als das bei Zähnen der Fall ist und dass infolge dessen dann auch die Schädel, sobald dieser Hornschnabel da ist, komplett anders gebaut werden. Sie werden plötzlich jetzt sehr, sehr schmal und sehr, sehr hoch. Mit Zähnen wäre das niemals möglich gewesen, weil diese Zähne quasi als Punktlasten gewirkt hätten und die Belastung des Schädels viel zu groß gewesen wäre. "
Mit den gewonnenen Daten konnte der Mainzer Paläontologe erstmals eine stetige Verbesserung der Flugeigenschaften nachweisen. Diese Faktoren zur Stabilität und Aerodynamik verglich er dann mit den bisherigen Stammbäumen, in denen die Verwandtschaftsverhältnisse der Flugsaurier aufgestellt sind.
"Wir konnten also diesen Analysen der Evolution, die es gibt, quasi dann Prozesse an die Hand geben und sagen: Deshalb hat sich das entwickelt, aus diesen Gründen. Aus diesen mechanischen Gründen hat dieser Schädel sich so und so verändert, hat sich quasi optimiert in bestimmte Richtungen. "
Die Flugsaurier verglich Michael Fastnacht anschließend mit den Vögeln. Obwohl sie wahrscheinlich hervorragende Segler waren, haben sie eine Eigenschaft nie entwickelt, die bei Vögeln ausgeprägt ist: eine so genannte Kinetik im Schädel. Diese mechanische Errungenschaft ist eine Hebelvorrichtung, die durch das Verschieben von Knochen einen kräftigen Biss ohne Muskelkraft ermöglicht.
"Und mit dieser Kinetik kriegen sie beispielsweise - obwohl sie sehr dünne Muskeln eigentlich haben - auch sehr große Kräfte hin, auch wie beispielsweise Papageien, die einem den Finger durchbeißen können. Das ist bei den Flugsauriern interessanterweise niemals entwickelt worden. Ich habe keine Idee, warum sie das nicht geschafft haben, warum sie das nicht mal gemacht haben. "