Vor so etwa 330 Millionen Jahren krabbelten die ersten Fische an Land und begannen, dort herumzulaufen. Und dabei machten sie eine unangenehme Entdeckung: beim Laufen und Klettern kann man sich auch wehtun und, wenn man Pech hat, die Beine brechen.

So erging es jedenfalls einem urzeitlichen Vierfüßer namens Ossinodus, der etwa so aussah (Teilbild a):

ossinodus

Ossinodus war ein typischer Urzeit-Vierfüßer, der ein bisschen Ähnlichkeit mit einem Riesensalamander hatte (das Tier war so etwa 1 bis 1,5 Meter lang). In den unteren Teilbildern seht ihr den Unterarmknochen des Fossils. Die einzelnen Kürzel interessieren uns hier ncht so sehr, wichtig ist nur der Bereich, der mit “callus” bezeichnet ist. Ein Wund-Kallus bildet sich dann, wenn ein Knochen gebrochen ist – der Körper heilt den Knochenbruch, indem sich zuerst ein Knorpelvorläufer bildet, der dann schnell zu Knochen mineralisiert wird.

Dieser Knochen ist typischerweise sogenannter Geflechtknochen – der hat nicht so berauschende mechanische Eigenschaften, hat aber den Vorteil, dass er sehr schnell wächst. Die ungünstigen Materialeigenschaften werden dadurch kompensiert, dass einfach mehr von dem Knochen aufgebaut wird, so dass der Knochen erst mal dicker wird als vor dem Bruch. (Im weiteren Leben wird dann der Geflechtknochen zu einer anderen Sorte mit höherer Festigkeit umgebaut und das dann überschüssige Material entfernt.)

Bei unserem Ossinodus hier ist der Knochebruch zwar schon so weit verheilt, dass der Kallus voll ausgebildet ist, aber eben noch nicht vollständig (sonst wäre der Kallus ja wieder weg). Man erkennt auch, dass der Kallus relativ groß ist. Analysiert man die Mikrostruktur des Knochens in einem Computertomographen, kann man die Bruchstelle und Form einigermaßen rekonsruieren (der Ossinodus sollte sich mal bei seiner Krankenkasse beschweren – 330Millionen Jahre Wartezeit für nen Röntgentermin sind schon ziemlich lang…):

ossinodus2

Der Bruch fand entlang einer Vertiefung innerhalb des Knochens statt. Um die Bruchursache aufzuklären, kann man den Knochen in ein Computermodell überführen. (Das ist ziemlich trickreich. Zum einen muss man natürlich versuchen, den Knochen so zu rekonstruieren, wie er vor dem Burch ausgesehen hat. Zum anderen ist Knochen kein homogenes Material, und die Forscherinnen haben viel Aufwand getrieben, um sicherzustellen, dass ihr Modell nicht dadurch fehlerhaft wird, dass sie die Inhomogenität nicht genau kennen. Wer’s genau wissen will, kann ins frei zugängliche paper gucken, mich interessieren hier mehr die Ergebnisse.) In diesem Computermodell wurden dann unterschiedliche Last-Szenarien durchgespielt, die man hier im Bild sieht:

ossinodus3

Der Knochen wurde also im Modell auf Zug, Druck, Torsion oder auf seitlichen Aufprall belastet. Dann wurden die entstehenden Dehnungen innerhalb des Knochens angeguckt und jeweils geschaut, wo diese Dehnungen maximal werden – dort müsste der Knochen dann brechen. Basierend auf diesen ersten Rechnungen wurde die Last dann weiter angepasst, bis sich ein Szenario ergab, bei dem die Position des vorhergesagten Knochenbruchs zum Kallus des Fossils passte (im Bild fehlt die Lagerung des Fossils – wenn nur ne Drucklast von oben kommt, verschiebt sich der Knochen ja einfach):

ossinodus4

Dieses Lastmuster (und auch der resultierende Knochenbruch) ist ähnlich zu dem, das man auch bei Menschen beobachtet, die sich einen Unterarmknochen brechen, weil sie fallen und sich mit dem Arm abfangen wollen. Es passt nicht zu einem Bruch, der beispielsweise durch einen Biss oder sonstigen Angriff eines Raubtiers verursacht wurde.

Betrachtet man die Dehnungen quantitativ, dann kann man auch abschätzen, wie groß die Kraft auf den Knochen etwa gewesen sein muss. Bezieht man sie auf die – geschätzte – Körpermasse des Tieres (so etwa 20kg), dann kommt man auf das 5 bis 11fache des Körpergewichts.

Nebenbei bemerkt: An dieser Stelle war das paper zumindest für jemanden, der ein bisschen Mathematik-affin ist, recht amüsant zu lesen, weil Rechnungen wie diese hier explizit vorgeführt wurden:

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Kommentare (8)

  1. #1 JoJo
    15. Mai 2015

    Und die hatten nur einen Unterarmknochen?

  2. #2 MartinB
    15. Mai 2015

    @JoJo
    Äh, nein, die hatten Elle und Speiche, wie wir auch. Das hier ist der Radius-Knochen (die Speiche).
    Habe leider kein Ossinodus-Skelett-Bild parat, kan von daher nicht sagen, wie dick die Elle im Vergleich war.

  3. #3 Artur57
    Mannheim
    22. Mai 2015

    Warum haben wir eigentlich Geflechtknochen? Warum sind Knochen nicht massiv? Grund wird sein, dass die Natur zum Leichtbau gezwungen ist und überflüssiges Material einfach weg lässt. Bei Kindern ist der Knochen tatsächlich massiv, aber was entscheidet dann, was weg kommt und was bleiben darf? Sehr tricky wäre, wenn das wirklich anhand tatsächlicher Belastungen entschieden würde. Also Kinder klettern und springen vom Tisch, damit Belastung auf die Knochen kommt und somit feststeht, welche tragenden Teile gebraucht werden und welche nicht. Das Beispiel eines “lernenden Knochens” haben wir ja auch beim Ossinodus. Die gebrochene Stelle war dann stärker ausgebildet und er hat, denke ich mal, etwas von diesem Vorfall an seine Nachkommen vererbt.

    Die Krönung wäre natürlich, wenn Ähnliches im Maschinenbau möglich wäre. Lernende Materialien, die ihre Festigkeit anhand realer Belastungen optimieren. Die Erwartungen sind astronomisch, wie immer. Und Martin säße ja am richtigen Platz.

  4. #4 MartinB
    23. Mai 2015

    @Artur57
    Erst mal vorsicht: Der Knochen, den wir normalerweise haben, ist kein Geflechtknochen, sondern lamellarer Knochen. Geflechtknochen bildet sich nur beim Wachstum.
    http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2012/02/25/wie-knochen-wachst-und-sich-umbaut/
    Die poröse Knochenstruktur, die du vermutlich meinst,ist spongiöser Knochen. Den findet man vor allem unter Gelenken (wo die sich aufweiten, weil der Gelenkknorpel nicht so hohe Lasten abkann) und im Inneren von Röhrenknochen oder Wirbeln, weil die auf Biegung belastet werden und dicht an der Mittelachse die Spannungen klein sind.

    Bei Kindern wächst zunächst lamellarer Knochen – der ist aber auch nicht massiver als bei Erwachsenen. Ein wichtiger Unterschied ist der geringere Anteil an Keramik, deswegen sind Kinderknochen weniger spröde (aber auch weniger steif).
    Wenn der Knochen im Laufe des Lebens umgebaut wird, dann wird dabei tatsächlich an die Belastung angepasst – vor allem, indem die Mikrostruktur passend ausgerichtet wird – bei zugbelastetem Knochen hat man Kollagenfasern in Längsrichtung, bei druckbelastetem in Querrichtung. Die genaue Steuerung des Prozesses ist aber nicht in allen Einzelheiten verstanden.

    “Die gebrochene Stelle war dann stärker ausgebildet und er hat, denke ich mal, etwas von diesem Vorfall an seine Nachkommen vererbt.”
    Die gebrochene Stelle ist nur deswegen stärker ausgebildet, weil sich hier der mechanisch schlechtere Geflechtknochen gebildet hat, davon braucht man dann halt mehr. Wenn der Ossinodus länger gelebt hätte, dass hätte der den Geflechtknochen sicherlich wieder zu normalem Knochen umgebaut und der Kallus wäre geschrumpft. Direkt vererbt wird so etwas natürlich nicht, dafür gibt es keinen Mechanismus.

    Ansätze, sowas auf die Ingenieurwissenschaft zu übertragen, gibt es schon lange – es gibt sogar Optimierungswerkzeuge, die genau so etwas tun, allerdings im Rechner, nicht im Betrieb des Materials (meistens weiß man ja auch, welche Belastungen zu erwarten sind).

  5. #5 Artur57
    24. Mai 2015

    Ja, da war mein Beitrag wohl etwas unterkomplex. Indes der “lernende Knochen” ist offenbar nicht nur eine diskutable These, sondern weitgehend erwiesen. Das überrascht mich etwas, denn dieser wirklich interessante Aspekt wird sonst nirgends erwähnt.

    Richtig, im Maschinenbau sind zu erwartende Belastungen üblicherweise bekannt. Aber man will ja derzeit einen Schritt ins Freie tun, beziehungsweise sollen autonome Roboter sich dorthin begeben. Diese würden sich dann in unbekanntem Gelände bewegen und das Belastungsprofil wäre unbekannt. Aber sehr wichtig, denn diese Roboter müssen auf Energieeffizienz optimiert werden, da sie nicht über eine verlässliche Energiequelle verfügen. Leichtbau ist da ein Muss und von daher wäre es nicht erstaunlich, wenn der lernende Knochen auch im Maschinenbau ein Thema würde.

    Nebenbei: das Belastungsprofil von Autokarosserien ist zwar bekannt, aber es fragt sich, ob die auffangende Struktur nicht leichter gebaut werden kann. Bauteile, die innen eine Knochenstruktur haben, wären dazu vielleicht in der Lage. Mit 3D-Druckern ist man nun erstmals an einem Punkt, an dem man das ernsthaft in Erwägung ziehen kann.

  6. #6 MartinB
    24. Mai 2015

    @Artur57
    “Das überrascht mich etwas, denn dieser wirklich interessante Aspekt wird sonst nirgends erwähnt. ”
    Doch, das steht eigentlic in vielen Büchern zur Biomechanik.

    “Mit 3D-Druckern ist man nun erstmals an einem Punkt, an dem man das ernsthaft in Erwägung ziehen kann.”
    So ist es – habe gerade einen Vortrag auf ner Konferenz gehört, wo genau dafür ein Beispiel gezeigt wurde – ein Träger, den man jetzt wesentlich leichter machen kann, weil er eine komplexe optimierte 3D-Struktur hat. Wird allerdings nicht für Großserien wie Autos oder so gehen, da wird das auf absehbare Zeit wohl noch zu teuer sein.

  7. #7 Anon
    6. Juni 2015

    @Artur57
    “Nebenbei: das Belastungsprofil von Autokarosserien ist zwar bekannt, aber es fragt sich, ob die auffangende Struktur nicht leichter gebaut werden kann. Bauteile, die innen eine Knochenstruktur haben, wären dazu vielleicht in der Lage.”
    So etwas ähnliches gibt es schon. Zwar keine Knochenstruktur, aber Metallschäume wurden zu diesem Zweck intensiv erforscht und werden soweit ich weiß bereits bei Audi als Crashabsorber verwendet.

    @MartinB
    “Wird allerdings nicht für Großserien wie Autos oder so gehen, da wird das auf absehbare Zeit wohl noch zu teuer sein.”
    Ich denke, ein noch größeres Hindernis wird die Fertigungsgeschwindigkeit sein. Additive Fertigungsverfahren sind meines Wissens nach alle zu langsam, um effizient Großserien produzieren zu können. Für Kleinserien und Prototypenbau aber durchaus interessant.

  8. #8 MartinB
    6. Juni 2015

    @Anon
    Stimmt, mit Metallschäumen arbeitet man schon lange – wobei die meines Wissens Polymerstrukturen nicht wirklich überlegen snd.

    Was die Geschwindigkeit angeht – das geht ja mit dem Preis Hand in Hand.