Wie schaffen Flöhe ihre erstaunlichen Sprünge? Der Mechanismus dahinter ist seit vierzig Jahren umstritten, denn damalige Experimente lieferten widersprüchliche Ergebnisse. Nun aber ist der Mechanismus im Detail aufgeklärt, auch wenn immer noch einige Fragen offen bleiben.

Vor einiger Zeit habe ich ja schon einmal etwas über die Biomechanik des Springens geschrieben. Dort hatten wir gesehen, dass der Flohsprung nicht deswegen beeindruckend ist, weil der Floh unglaublich hohe Kräfte zum Springen benötigt, sondern wegen der hohen Beschleunigung, die er beim Sprung erzeugen muss. Da die erreichbare Sprunghöhe von der Energie abhängt, die für den Sprung zur Verfügung steht, und die Energie wiederum von der Muskelmasse, ergibt sich zunächst mal, dass alle Tiere gleich hoch springen könnten, wenn es keine weiteren Effekte gäbe.

Die Zeit aber, die der Floh zur Verfügung hat, um die notwendige Kraft aufzubringen, mit der er sich vom Boden abstößt, ist sehr kurz. Er braucht deswegen eine sehr hohe Beschleunigung. Durch Muskelkontraktion ist das nicht zu erreichen, dazu sind Muskeln einfach zu langsam. Stattdessen verwendet der Floh ein biologisches Gummi, in dem er die Energie zunächst speichert, um sie dann schlagartig freizusetzen. In diesem Bild sieht man das “Gummi” (aus dem Protein Resilin) blau eingefärbt:

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ResearchBlogging.orgDas Bild stammt (wie alle anderen in diesem Post) aus einem aktuellen Artikel von Sutton & Burrows, in dem der Sprungmechanismus detailliert untersucht wurde. Bevor wir uns die Ergebnisse im einzelnen angucken, erst einmal ein Blick auf einen Floh:

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Das Hinterbein besteht aus fünf Teilen: Direkt am Körper sitzt die Coxa, dann folgt der Trochanter, ein kurzes Verbindungsstück. Die anderen drei Beinteile heißen ähnlich wie bei Wirbeltieren: Femur (“Oberschenkel”), Tibia (“Schienbein”), Tarsus (“Fuß” – o.k., das ist bei Wirbeltieren etwas komplizierter, da gibt es die Fußwurzelknochen (Tarsi), die Mittelfußknochen (Metatarsi) und die Zehenknochen (digiti pedis oder phalanges)). Das Gummi sitzt oberhalb der Coxa; wird der Sprung ausgelöst, wird die Kraft von dort auf die Beinsegmente übertragen.

Dieses Grundprinzip des Flohsprungs ist schon lange bekannt. Unklar war jedoch, wie genau der Floh sich vom Boden abstößt. Es gab dazu zwei Theorien, de beide durch Experimente gestützt wurden:
Rothschild et al. beobachteten, dass Flöhe vor dem Springen ihren Trochanter in Bodenkontakt bringen und dass sie auch noch springen können, wenn man den hinteren Teil des Beines entfernt (wobei aus dem paper nicht hervorgeht, ob sie noch genauso weit und hoch springen können – höchstwahrscheinlich nicht.). Daraus schlossen sie, dass der Trochanter sich vom Boden abstößt.

Bennet-Clark und Lucey dagegen analysierten die Beschleunigung beim Absprung – da der Trochanter sehr kurz ist, müsste die Beschleunigung größer sein als beobachtet.

Beide Ideen hatten also etwas für sich, und nur eine detaillierte Untersuchung konnte zeigen, wer recht hat. Und die Untersuchung von Sutton und Burrows ist detailliert. Sie ist in meinen Augen ein Musterbeispiel für einen klar geschriebenen, gut strukturierten und sauber argumentierten wissenschaftlichen Artikel – vielleicht zeige ich den in Zukunft meinen Studis als Beispiel für gutes Schreiben und Argumentieren.

Es werden nämlich gleich mehrere Überlegungen angestellt, um die Frage eindeutig zu klären. Zunächst verwendeten die beiden Hochgeschwindigkeitskameras, um den Flöhen beim Springen zuzusehen. Damit sie nicht gerade eine Jelena Slesarenko (Hochsprung-Olympia-Rekord 2004, 2,04m) oder auf der anderen Seite einen Martin B. (maximale Sprunghöhe knapp über Teppichkante) erwischen, haben sie sich 10 Flöhe besorgt (“kindly supplied by staff at St. Tiggywinkles Wildlife Hospital” – der Name könnte von Wodehouse sein) und sie insgesamt 51 Sprünge machen lassen, die sie detailliert aufgenommen haben.

Tatsächlich zeigte sich, dass der Trochanter beim Sprung anfangs meist (in 45 der 51 Sprünge) auf dem Boden auflag – Rothschild hatte also richtig hingeguckt. Allerdings verlässt er den Boden sehr frühzeitig, schon nach weniger als einer Millisekunde. Ehe ich hier noch viele Worte mache, zeige ich lieber eins der schönen Bilder aus dem paper (zum Vergrößern klicken, Achtung, die Reihenfolge der Teilbilder ist spaltenweise, erst die linke, dann die rechte):

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Wie man sieht, verlässt der Trochanter bei -0.6ms, also deutlich vor dem “Abheben” bereits den Boden. Das allein ist schon mal ein starkes Indiz dafür, dass er für den Absprung nicht allein verantwortlich ist. Aber die beiden Forscher waren wesentlich gründlicher als das. Als nächstes analysierten sie die sechs Sprünge, bei denen der Trochanter von Anfang an keinen Bodenkontakt hatte, und zwar ganz sauber mit einer statistischen Analyse. Es ergab sich kein signifikanter Unterschied in der Bewegung der Flöhe. Auch das spricht dagegen, dass der Trochanter die Kraftübertragung bestimmt.

Ganz ehrlich, ich hätte mit diesen Ergebnissen wahrscheinlich schon eine Veröffentlichung eingereicht. Aber die beiden waren noch gründlicher als das. Als drittes überlegten sie, wie genau der Absprung erfolgen müsste, wenn der Trochanter verantwortlich wäre. Da die Coxa beim Absprung ziemlich senkrecht positioniert ist und da der Trochanter relativ kurz ist, müsste er den Floh nahezu senkrecht in die Höhe katapultieren. Eine Analyse der Absprungwinkel ergibt dagegen ein Maximum bei etwa 40°, statt etwa 90°.

Aber auch damit nicht genug. Schließlich erstellten die beiden noch ein mathematisches Modell des Flohs – und zwar eins für jede der beiden untersuchten Theorien:

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Dieses Modell verwendeten sie, um den Absprung im Detail zu berechnen. Dabei zeigte sich, dass beim Rothschild-Modell wegen des sehr kurzen Trochanter die Beschleunigung über einen sehr kurzen Moment aufgebracht werden müsste (mit Spitzenwerten von mehr als 2000-facher Erdbeschleunigung), während die Werte beim Bennet-Clark-Modell etwa um einen Faktor zehn kleiner sind. (Das ergibt aber immer noch eine Beschleunigung von mehr als 180g.) Nur die kleineren passen zu den Beschleunigungen, die aus den aufgenommenen Bildern berechnet werden können.

Und damit ist das Rothschild-Modell wohl ziemlich deutlich widerlegt, jedenfalls (und auch diese Einschränkung wird diskutiert) für die untersuchten Igelflöhe, die aber nach Ansicht der Autoren für andere Flöhe durchaus typisch sind.

Ist damit der Flohsprung vollkommen geklärt? Nein. Offen bleibt die Frage, wie genau das Bein vor dem Sprung arretiert wird, wie der Auslösemechanismus funktioniert und wie die Kraft des Resilins genau auf das hintere Beinsegment übertragen wird. Zu forschen gibt es also noch genug – und faszinierend bleibt, der Flohsprung auch, wenn man ihn versteht.


Sutton, G., & Burrows, M. (2011). Biomechanics of jumping in the flea Journal of Experimental Biology, 214 (5), 836-847 DOI: 10.1242/jeb.052399

Kommentare (9)

  1. #1 zwutz
    7. März 2011

    sehr interessant. Aber seh ich das richtig, dass auch die Vorderbeine zum Absprung genutzt werden? Oder lässt er die nur schleifen und sie liegen deswegen am Boden auf?

  2. #2 MartinB
    7. März 2011

    Soweit ich weiß, enthalten die kein Resilinpolster – damit könnten sie in der kurzen zeit nicht nennenswert beitragen. Aber wer weiß – vielleicht hat man auch nurnoch nicht gründlich genug geguckt…

  3. #3 Dominik
    7. März 2011

    schon faszinierend wozu solche “unscheinbaren” Tiere in der Lage sind

  4. #4 Bjoern
    7. März 2011

    @MartinB: Schöner Artikel, danke!

    Nur den Satz kapiere ich nicht ganz:

    Bennet-Clark und Lucey dagegen analysierten die Beschleunigung beim Absprung – da der Trochanter sehr kurz ist, müsste Beschleunigung größer sein als beobachtet.

    Erstens fehlt da wohl ein “die” vor dem zweiten “Beschleunigung”. Und zweitens ist selbst mit dem “die” nicht so ganz klar, was die da gemacht haben. Dasselbe wie in dem neuen Paper, wie von dir oben beschrieben? (mathematisches Modell aufgestellt, Beschleunigung daraus berechnet und mit den Beobachtungen verglichen)

  5. #5 MartinB
    7. März 2011

    @Bjoern
    Ich habe das “die” ergänzt. Ja, so wie ich es verstehe, war die damalige Analyse ähnlich, aber nicht so präzise (ich vermute, weil schlechtere Technik dahintersteckte). Das Originalpaper habe ich aber nicht sondern nur das, was Sutton&Burrows schreiben.

  6. #6 Bjoern
    7. März 2011

    @MartinB: Danke für die Klarstellung!

  7. #7 MartinB
    7. März 2011

    @Bjoern
    Und danke für die Fehlerkorrektur.

  8. #8 KorinthenKissen
    18. April 2012

    “Da die erreichbare Sprunghöhe von der Energie abhängt, die für den Sprung zur Verfügung steht, und die Energie wiederum von der Muskelmasse, ergibt sich zunächst mal, dass alle Tiere gleich hoch springen könnten, wenn es keine weiteren Effekte gäbe.”

    Dass es die Muskel_masse_ ist die über die Muskelkraft entscheidet ist eine Fehlannahme die die Grundlage für den unsinnigen “Wenn ein Floh so gross wäre wie ein Mensch könnte er…”-Vergleich legt.
    Tatsächlich ist der Durchmesser des Muskels entscheidend, ungefähr vergleichbar damit dass es ja auch nicht die Länge eines Seils ist die über seine Tragfähigkeit entscheidet, sondern seine Dicke.

    Da bekanntlich Flächen mit der 2ten Potenz der Länge ihrer Seiten wachsen, während Volumina (also das Gewicht eines Tieres) dies mit der 3ten Potenz tun (also deutlich schneller je größer das Tier wird) verlieren große Tiere immer mehr ihre Sprungfähigkeit während kleine sich schlicht durch die Gesetze der Physik einen Verteil erschleichen ;).

  9. #9 MartinB
    19. April 2012

    @Korinthenkissen
    “Dass es die Muskel_masse_ ist die über die Muskelkraft entscheidet ”
    steht ja nicht im Text, das wäre falsch. Aber die Muskelmasse entscheidet über die Energie – die Kraft ist proportional zum Querschnit, der Kontraktionsweg proportional zur Länge, also die Energie (Kraft mal Weg) proportional zum Volumen und damit zur Masse.

    Das ist oben korrekt berücksichtigt und es ist wirklich so, dass die Sprungkraft (anders als für viele andere biomechanischen Phänomene) bei allen Tieren etwa gleich wäre, wenn das Beschleunigungsproblem (und bei großen Tieren das Problem der Aufnahme der entstehenden Kräfte durch die Knochen) nicht wäre.

    Siehe auch
    http://www.scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2011/01/von-grossen-und-kleinen-tieren.php