Warum Schlangen manchmal einen grossen Bogen um einen Baum kriechen sollten

Die Fortbewegung ist ein wichtiger Faktor für das Überleben einer Spezies. Insbesondere hat die Geschwindigkeit einen grossen Einfluss auf die natürliche Selektion. Die Leistung der Fortbewegung (Bsp. Geschwindigkeit und Ausdauer) hängt von der Körperform und Fitness des Tieres ab. Viele Tierarten besitzen die Fähigkeit sich in unterschiedlichen Lebensräumen fortzubewegen. Schlangen können beispielweise ihre Fortbewegungsart ihrem Umfeld anpassen. Zwar existieren etliche Studien über die Fortbewegungsarten von Schlangen aber keine untersuchte bisher den Zusammenhang von der Leistung des Kletterns in Zusammenhang mit der Umgebungstemperatur.
Der Biologe Gary Gerald vom Departement of Zoology der Miami University ging genau dieser Frage nach Mithilfe von Mark Mackey (Oxford) und Dennis Claussen (Ohio). 2008 veröffentlichten sie ihre Ergebnisse im Journal of Experimental Zoology mit dem Titel: „Effects of Temperature and Perch Diameter on Arboreal Locomotion in the Snake Elaphe guttata.“

 

Ausgangslage

Die bekanneste Fortbewegung der Schlange erfolgt in horizontale Wellen, beispielsweise, wenn sie am Boden entlang kriechen oder schwimmen. Eine weitere Art der Fortbewegung ist die „Ziehharmonika“. Diese benutzen Schlangen, wenn sie vertikale Oberflächen hinaufklettern oder sich in enge Nischen drücken. Dieses Kriechen erfordert mehr Kraft und ist dabei deutlich langsamer als andere Kriechvarianten. Mehr Infos zur Fortbewegung von Schlangen findet ihr hier.

In den bisherigen Studien zur Fortbewegung der Schlange wurde der Fakt, dass sich eine Spezies in unterschiedlichen Lebensräumen bewegen kann, nicht beachtet. Schlangen, die in Bäumen leben, haben ihren Körper der Umgebung angepasst. Solche Schlangenarten tendieren zu einem dünneren und längeren Körper, da sie dadurch ihren Leib in mehreren Schleifen über den Ast legen können und sich so das Gewicht besser um den Ast verteilen kann. Das Halten des Gleichgewichts hat Vorrang vor der Geschwindigkeit der Fortbewegung. Dies wird höchstwahrscheinlich durch abiotische Umweltfaktoren, also solchen, die keine Beteiligung von Lebewesen an einem natürliche Prozess haben, begünstigt. In unserem Fall sind dies das Mikroklima (Klima in unmittelbarer Nähe) und die physische Eigenschaften des Astes. Der Zusammenhang zwischen abiotische Faktoren und der Bewegungsart konnte 1989 bei Saumfingerechsen dokumentiert werden.

 

Methode

Die Abhängigkeit von Aussentemperatur bei der Bewegungsleistung ist seit längerem bekannt. Verschiedene Studien legen dar, dass die meisten Spezies bei höherer Temperatur eine erhöhte Leistung aufzeigen. Die beinlosen Fortbewegungsarten sind sogar noch abhängiger von der Umgebungstemperatur. In Ihrem Experiment messen die Forscher die maximale Geschwindigkeit und die Körperhaltung von Schlangen, wenn sie horizontale mit Jute umwickelten Stangen, deren Durchmesser variieren, bei verschiedenen Lufttemperaturen entlang klettern. Die Jute ist nötig, da Schlangen nur sehr schwer auf glatten Untergründen kriechen können. Wer wissen möchte warum das so ist, der findet die Antwort hier. Die Forscher möchten durch dieses Experiment herausfinden, wie schnell sich die Tiere bei verschiedenen Temperaturen über die Äste bewegen können und welchen Einfluss die Temperatur und der Durchmesser des Astes auf die arboreale (baumlebende) Lebensweise hat.
Der geeignete Proband für dieses Experiment ist die Kornnatter, eine amerikanische Kletternatterart, die in Nordamerika heimisch ist. Sie lebt sowohl am Boden als auch in den Bäumen. Der Biologe spricht hier von einer semi-arboreale Lebensweise. Die Forscher wählten 15 subadulte Tiere mit der gleichen Körpermasse aus, damit die Messung einfacher wird. Zudem versprachen sich die Forscher von subadulten Kornnattern mehr Kooperation als von erwachsenen Tieren. Wie genau die Biologen auf diese lustige Idee kamen, ist im Paper nicht erläutert.

 

Das Experminent: Fitnessparcour für Kornnattern

Die Forscher stellten künstliche Äste mit unterschiedlichen Durchmesser her: 3, 6, und 10 Zentimeter mit einer Gesamtlänge von 2 Metern, die 1,6 Meter über den Boden ragten. Auf beiden Seiten des Astes standen zwei Helfer, welche die fallenden Schlangen auffangen sollten. Als doppelte Sicherheit wurde unter dem Ast noch ein weiches Kissen platziert. Die Helfer leisteten aber gute Arbeit und nur wenige Kornnattern fielen auf die Kissen. Die Forscher zeichneten die Schnelligkeit, Körperhaltung und Gleichgewichtsfertigkeiten der Tiere auf dem horizontalen Ast bei 10, 20 und 30 Grad auf. Die Schlangen waren natürlich vorher zwei Stunden der klimatischen Experimentbedingungen ausgesetzt, bevor sie über den Ast kriechen mussten. Bei 10 Grad weigerten sich die Schlangen über den Ast zu kriechen. Über die Gründe kann an dieser Stelle nur spekuliert werden. Hier mussten die Wissenschaftler die Nattern ermutigen, indem ein Forscher die Kornnatter an ihrer Schwanzunterseite kitzelte bis sie endlich, demotiviert, über den Ast kroch. Allgemein waren die Kornnatter nicht so kooperativ, wie man sich dies gewünscht hätte. Schliesslich waren es auch subadulte Tiere – sprich Teenager.

tata

So sieht eine motivierte Probandin aus: eine Kornnatter klettert unter Laborbedingungen munter der Stange entlang. (c) Gary Gerald

 

Ergebnisse

Bei hoher Temperatur bewegten sich die Schlangen deutlich schneller und streckten sich auf dem Ast eher aus. Bei niederer Temperatur waren die Reptilien langsamer und ihr Körper war deutlich gewundener, so dass sich ihr Leib um die Äste wandte, damit das Tier mehr an Stabilität gewann.

ata

(a) Durch die gewundene Körperhaltung erreicht die Kornnatter  ein besseres Gleichgewicht während der Fortbewegung. (b) Die längliche Körperhaltung bietet hingegen weniger Stabilität, garantiert dafür ein schnelleres Vorankommen.

Die Wahrscheinlichkeit, dass die Schlangen von den Ästen fielen, war bei der niedrigsten Temperatur zehnmal höher als bei 30 Grad. Das Herunterfallen und die gewundene Körperhaltung weisen darauf hin, dass die Umgebungstemperatur die Beweglichkeit und das Gleichgewicht der Schlange verschlechtert. Überraschend war der Befund, dass Schlangen bei 10 Grad deutlich häufiger von dicken als von dünnen Ästen fielen. Der Grund dafür ist, dass sich die Kornnatter besser um die dünne Äste winden und somit halten kann, als dies bei den dicken Ästen der Fall ist. Die grosse Agilität auf dünnem Geäst gibt der Kornnatter einen evolutionären Vorteil gegenüber anderen baumlebenden Arten.
Der Fakt, dass Schlangen bei niederen Temperaturen häufiger von Bäumen fallen, als bei warmen, könnte erklären warum nur sehr wenige baumlebende Schlangenarten ausserhalb der Tropen existieren.

Literatur: Gerald, Gary (2008): Effects of temperature and perch diameter on arboreal locomotion in the snake Elaphe guttata. Journal of Experimental Zoology. 309A: 147-156.

Die ältesten Fossilien geben neue Einblicke in die Evolution der Schlangen

Schlangen sind die Spätzünder unter den Reptilien. Bisher sah ihre Evolutionsgeschichte so aus, als wären sie als Echsen vor 100 Millionen in ein Erdloch gekrabbelt und als Schlangen wieder heraus gekrochen. Während dieser Zeit klafft eine riesige Lücke bei den fossilen Befunden. Sehr zur Freude der Kreationisten, die darin die Bestätigung sehen, dass die Schlange ihre Beine als Strafe für die Verführung Evas verlor und somit die Bibel eine exakte Naturgeschichte der Erde ist.

Wissenschaftler ahnen aber schon seit einiger Zeit, dass die Entwicklungsgeschichte der Schlange weiter als die 100 Millionen Jahren zurückreicht. Vermutet wurden die Ursprünge etwa vor 140 Millionen Jahren. Aber die Beweise fehlten. Dank neuer Funde wissen wir nun mehr. Ein internationales Forscherteam, geführt von Michael Caldwell von der University of Alberta, Kanada, analysierte frühere Fossilienfunde von Schlangen aus England, Portugal und den USA und verglich diese mit den Merkmalen der modernen Schlangen und Echsen.

 

Stand der aktuellen Forschung

Die bisherigen Erkenntnisse über die Evolution der Schlangen stützen sich auf einzelne isolierte Funde:

– Einen Wirbel, gefunden in Afrika, etwa 100 Millionen Jahre alt
– Einen Wirbel und ein Kiefer, gefunden in Nordamerika, etwa 98-64 Millionen Jahre alt
– Fast vollständige Skelette, einige davon mit hinteren Gliedmassen, gefunden im Mittelmeerraum, etwa 98-95 Millionen Jahre alt
– Zwei verschiedene Taxa von vollständigen Schlangen, gefunden in Argentinien, etwa 94-92 und 86-80 Millionen Jahre alt

Portugalophis lignites in a gingko tree. Image credit: Julius Csotonyi.

Anhand der Schädelreste aus Portugal und den Merkmale der Schlangen aus jener Zeit entstand diese Rekonstruktion der neuen urzeitlichen Schlangenart „Portugalophis lignites“, die ihre Beinchen wahrscheinlich zum Klettern verwendete (C) www.sci-news.com, Julius Csotonyi

 

Explosion der Artenvielfalt

Diese Fossilien stammen alle etwa aus dem gleichen Zeitraum. Die Forschung über die Evolution der Schlangen konzentrierte sich deshalb auf die Kreidezeit. Das Forscherteam entdeckte jedoch 2014 vier neue Schlangenarten, die deutlich älter sind: etwa um 176-143 Millionen Jahre alt. Sie fanden Schädelreste in Grossbritannien, Portugal und den Vereinigten Staaten. Diese Daten erweitern den geologischen Bereich der Schlangen um fast 70 Millionen Jahre in die Mitte des Mesozoikums, also in die erdgeschichtlichen Periode namens Jura (vor 200-145 Millionen Jahren). Dies weist auf eine übereinstimmende Herkunft mit anderen Schuppenkriechtieren hin und zwar zu jener Zeit, als das Aufbrechen des einen grossen Kontinents Pangeas in Laurasia (Europa und Asien) und Gondwana (Süd- und Nordamerika) in seiner Endphase war. Das Aufbrechen des Superkontinents Pangea in unzählige Teile führte zu einer Zerstückelung des Lebensraums und dürfte so die Ausprägung zahlreicher neuen Arten begünstigt haben. Diese Explosion der Artenvielfalt fand vor allem bei den Reptilien statt.

Zu beachten ist, dass die frühen Schlangen zur gleichen Zeit auftraten, wie die Taxa der Schleichartigen (Blindschleiche und andere Echsen) und eine Lücke in der phylogenetischen Entwicklung der Tiere schliesst. Die älteste Urschlange fand man in Südengland und stammt aus der Mitte der Jurazeit (vor 167 Millionen Jahre). In Colorado und in Portugal fand man die zweitältesten Tiere mit einem Alter von 155 Millionen Jahren. Die jüngste der vier Schlangen ist etwa 150 Millionen Jahre alt.

Im Januar 2015 veröffentlichte Caldwell im Fachmagazin „Nature Communications“ (Open Access Zeitschrift des renommierten Fachjournals Nature) seine Ergebnisse unter dem Titel: The oldest known snakes from the Middle Jurassic-Lower Cretaceous provide insights on snake evolution. So erweiterte er die dokumentiere Entstehungsgeschichte der Schlangen um rund 70 Millionen Jahren und bringt frisches Material für Theorien über die Evolution der Schlangen.
Fakt ist bisher, dass die Schlange vor langer Zeit Gliedmassen besass. So zeigten Funde aus der Zeit vor 100 Millionen Jahren auf, dass einige Schlangen noch über mickrige Hinterläufe verfügten.

 

Die ewige Streifrage: Ursprung im Wasser vs. Ursprung an Land

Keinen Konsens fand die Forschercommunity bisher, wann genau die Schlange ihre Beine verlor: zu Land oder im Wasser und von welchem Tier sie überhaupt abstammt. Zur Auswahl standen bisher das riesige Meeresreptil Mosasaurus und landlebende Echsen. In den letzten Jahren wurde die These von der Landtier-Herkunft mehrmals bestätigt, u. a. von Hassan Zaher 2006. Cadwells Studie bekräftigt diese These weitestgehend.
So sei die Evolutionsgeschichte der Schlange komplexer verlaufen, als die Forscher bisher annahmen. Der typische Schlangenkopf habe sich schon ausgeprägt, bevor sie beinlos wurde. Bei allen vier untersuchten Funden konnten Merkmale von Echsen, aber auch von Schlangen, nachgewiesen werden. Dies zeigt auf, dass ihre Evolution vor der mittleren Juraperiode begonnen haben muss.
Für die Paläontologie eröffnen sich so neue Forschungsmöglichkeiten. Sie muss nun nicht nur die klaffende Lücke in der Befundhistorie zwischen 140 und 100 Millionen Jahren füllen, sie kann nun auch gezielt in tieferen Gesteinsschichten nach den Frühschlangen graben.

Die Entwicklung zur Schlange begann, Caldwell zufolge, höchstwahrscheinlich bei landlebenden Echsen. Ganz weg vom Wasser waren sie aber nicht. Die vier untersuchten Spezien hatten alle in ihrer Lebensweise eine Verbindung zum Wasser. Die europäischen Arten lebten in Sümpfen, während die amerikanische Art im Uferbereich eines Flusses lebte. Dies lässt auf eine semi-aquatische Lebensweise schliessen.
In einem solchen Habitat zwischen Land und Wasser ist eine Flexibilität in der Art der Bewegung von evolutionärem Vorteil. Hier könnte sich der Schritt von der Echse zur Schlange vollzogen haben.

Parviraptor estesi swimming in freshwater lake with snails and algae. Image credit: Julius Csotonyi.

Rekonstruktion der neuen Art „Parviraptor estesi“, die wahrscheinlich eine semi-aquatische Lebensweise führte und ihre Beinchen als Paddel benutzte. Sie lebte vor 167 Millionen Jahre im heutigen Gebiet von Grossbritannien (C) www.sci-news.com, Julius Csotonyi

 

Die Suche nach neuen Fossilien

Die Frage ist nur: Warum ist hier im Fossilienbestand eine grosse Lücke bzw. warum findet man nach dieser Lücke so viele Belege?
Ein Erklärungsansatz kann die Grössenordnung der Funde sein. Eine grosse Körpermasse begünstigt eine Fossilierung: so existieren von grossen Wirbeltiere mehr Funde, als von den Kleinen. Zumal es leichter ist einen 13 Meter grossen Giganotosaurus zu finden als einen wenigen Millimeter grossen Knochenfresserwurm (dieser überlebte das Massensterben der Dinosaurier in Kadavern von Schildkröten und nagt heute noch gemütlich an Knochen von toten Meerestieren).
Die meisten Funde stammen aus der mittleren Kreidezeit, wie bei allen Urzeittieren. Zur jener Zeit prägten sich die grösseren Tierarten aus. Die Urzeitschlangen erreichten eine ähnliche Grösse wie die heutigen. Auch die ältesten Fossilien stammen aus dieser Zeit.
Fossile kleiner Tieren werden auch eher in Bruchstücken gefunden. Bei einem kleinen Kadaver besteht die Chance einfach höher, dass er zerstört, fortgespült, weggetragen oder einfach nur zerstückelt wird. Auch die vier neu beschriebenen Arten sind nur in fossilen Fragmenten enthalten. Zum Glück der Forscher wurden die wichtigsten Stücke für die Rekonstruktion der Stammesgeschichte gefunden: Kiefer mit Bezahnung, Wirbel und Teile der Hüftknochen. Diese Puzzlestückchen reichen aus, damit die Familiengeschichte der Schlangen um 70 Millionen Jahre weiterzuschreiben.

Diablophis gilmorei hiding in a ceratosaur skull. Image credit: Julius Csotonyi.

So sah die neuentdeckte Art „Diablophis gilmorei“ aus, gefunden in Colorado mit einem  Alter von 155 Millionen Jahren. Die Färbung der Schuppen leitet sich immer von modernen Schlangen ab. (C) www.sci-news.com, Julius Csotonyi

 

Die vierbeinige Schlange

Die Stammesgeschichte der Schlange ist nach wie vor nicht vollständig geklärt. Entdeckungen von fossilen Schlangen mit zwei Beinen lassen vermuten, dass sie von Eidechsen abstammen. Bisher wurde aber keine urzeitliche Schlange aus diesem Übergang, also mit vier Beinen, entdeckt.
Ein beliebtes Szenario ist, dass sich der Schlangenkörper im Meer entwickelte. Andere Forscher sind der Meinung der Schlangenkörper entwickelte sich an Lande in Folge einer fossorialen Lebensweise (Leben unter der Erde, Wohnhöhlen graben). Darauf deuten die kurzen neuralen Stacheln (Dornfortsatz) auf der Wirbelsäule hin, die wir auch von anderen Urzeittieren kennen.

Tetrapodophis Credit: Julius Cstonyi

So könnte die vierbeinige Schlange ausgesehen haben: wissenschaftliche Zeichnung, basierend auf den Forschungsergebnissen von Martill. Die Schuppenzeichnung orientiert sich an den modernen Schlangen ©nationalgeographic.com

 

Exponat „Unbekanntes Fossil“

2015 entdeckte der britische Forscher David Martill von der Universität Portsmouth die vierbeinige Schlange und zwar in einen Museum. Ja, richtig in einem bayerischen Museum lagerte eine paläontologische Sensation, die der Brite per Zufall auf einer Studienreise entdeckte. Um die Ehre des Museums zu retten, muss gesagt werden, dass in den Archiven der Museen weltweit noch unbekannte Schätze lagern, da einfach das Geld für das Personal fehlt.
Studenten organsierten 2015 eine Ausstellung und präsentierten unter anderen diesen Fund. Was Martill sofort auffiel, war das ungewöhnliche Gestein, welches aus der Crato Fromation in Brasilien stammt. Diese Formation streckt sich bis in die frühe Kreidezeit aus. Schlangenfossilien aus dieser frühen Zeit fand man bisher nicht in Südamerika. Die Kombination von Ort und Zeit war also sehr ungewöhnlich. Und dann erblickte er, nach eigenen Aussagen, zuerst die Hinterbeinchen bei dem knapp 15 cm grossen Wesen und beim genaueren Anschauen entdeckte er sogar noch Vorderbeinchen. Ein Brite war in Bayern nun völlig aus dem Häuschen.
Angeschrieben war das Exponat mit „Unbekanntes Fossil“. David Martill machte an jenem Tag seine once-in-a-lifetime Entdeckung.

Tetrapodophis specimen. Credit: Dave Martill.

Das unbekannte Exponat: Die etwa 15 cm lange vierbeinige Schlange

 

htt©©p://phenomena.nationalgeographic.com/2015/07/23/a-fossil-snake-with-four-legs/

Nahaufnahme der Hinterbeinchen ©nationalgeographic.com

Dieses Exponat der Schlange ist der Archaeopteryx der Schlangen/ Eidechsen Welt. Der Archaeopteryx ist ein Urzeittier, das Merkmale von Dinosaurier, als auch von Vögel hat und damit den Übergang von den Dinosaurier zu den Vögel markiert. In der gleichen Weise zeigt die neue Schlange Hinweise auf, wie sie sich aus der vierbeinigen Eidechse entwickelte.
Zurück zum Fossil: Die Vierbeinschlange, genannt Tetrapodophis amplectus, wurde vor Jahrzehnten in Brasilien entdeckt und ist ca 100 Millionen Jahre alt. Martill zufolge ist dieser Fund der Beweis, dass die Vorfahren der heutigen Schlangen vom Land kamen.
Die Schlange sei genauso beweglich gewesen, wie wir dies von den heutigen Schlangen kennen. Die Physiognomie zeigt Ähnlichkeiten zu den modernen Schlangen auf: eine kurze Schnauze, ein länglicher Körper, einen kurzen Schwanz, eine flexible Wirbelsäule, Fangzähnen und einen sehr beweglichen Kiefer. Durch diese Anatomie liegt nahe, dass die Schlange sich durch die Erde gräbt (fossoriale Lebensweise) und daher nicht maritimen Ursprungs sein kann. Zudem fehlen ihr typische Wasser Adaptionen, wie beispielsweise ein länglicher seitlicher Schwanz (Flosse). Deswegen unterstützt die Vierbeinschlange die Hypothese des Landursprungs der heutigen Schlangen.

 

Ernährung der Schlange

Der Fund gibt auch Auskunft über die Fressgewohnheiten der urzeitlichen Schlangen. Tetrapodophis hat die Anpassungen eines Fleischfressers (Karnivoren): Fangzähne und eine flexible Wirbelsäule, die das würgen der Beutetiere erlaubt. In ihrem Darm fand man zudem Überreste von Wirbeltieren, wahrscheinlich von Fröschen. Schlangen haben demnach den Übergang vom Insekten- zum Fleischfresser in ihrer Evolution relativ früh vollzogen. Die Schleichartigen waren noch Insektenfresser.

Es liegt auch nahe, durch andere Funde gestützt, dass sich die Landschlange auf dem Urkontinent Gondwana ( heutiges Südamerika, Afrika, Antarktika, Australien, Arabien, Madagaskar, Neuguinea und Indien) entwickelte und sich von dort aus während der Kreidezeit nach Laurasia (heutiges Europa und Asien) ausbreitete.

Doch eine Frage bleibt noch: welche Funktion hatten die Schlangenbeine? Das weiss man nicht. Vielleicht kletterten sie damit die Bäume hinauf, hielten die Beute fest oder klammerten sich an einen Paarungspartner. Nur eines ist gewiss: Mit ihren Beinen spazierte die Schlange nicht durch den Urwald – oder durch das Paradies.

Literatur: Martill, David; Tischlinger, Helmut (2015): A four-legged snake from Early Cretaceous of Gondwana.

 

Merken

Merken

Merken

Merken

Merken