Fliegen kann im Tierreich weniger Energie pro Strecke kosten als Schwimmen. Das zeigt eine umfangreiche Auswertung der Bewegungen frei lebender Vögel und Fledermäuse. Entscheidend ist, ob Tiere ständig mit den Flügeln schlagen oder Energie aus der Atmosphäre nutzen. Ein Andenkondor kam im berechneten Vergleich mit einem ähnlich schweren Trompeterschwan auf rund 79 Prozent niedrigere Transportkosten.
Ein internationales Team unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Verhaltensbiologie untersuchte, wie Tiere die Luft bei ihren Reisen tatsächlich nutzen. Die Forscher kombinierten 17 Jahre an GPS- und Beschleunigungsdaten von 850 Individuen aus 38 Arten mit Informationen über atmosphärische Bedingungen. Hinzu kamen vier Jahre Radarbeobachtungen kleinerer fliegender Tiere, die zwölf Größenklassen abdeckten. So entstand ein breites Bild von Flugweisen außerhalb kontrollierter Laborbedingungen.
Die untersuchten Tiere reichten von ungefähr zwölf Gramm bis zu mehr als elf Kilogramm Körpermasse. Für den Vergleich war aber nicht nur wichtig, wie schwer ein Tier ist. Ebenso entscheidend war, wie oft es aktiv schlägt, wie es sich relativ zum Wind bewegt und ob aufsteigende Luft verfügbar ist. Die Umwelt liefert damit einen Teil der Erklärung für den Energieaufwand. Körpergröße allein reicht nicht aus, um sehr unterschiedliche Flugweisen zuverlässig miteinander zu vergleichen.
Die klassische Rangfolge tierischer Fortbewegung ordnet Schwimmen häufig als besonders günstig ein, gefolgt vom Fliegen und anschließend vom Laufen. Grundlage sind vergleichende Messungen und Modelle, die zu einem großen Teil unter Laborbedingungen entstanden. Ein Tier im Windkanal nutzt jedoch nicht dieselben wechselnden Aufwinde wie ein Vogel über einer Gebirgslandschaft. Die neue Arbeit ergänzt deshalb den Blick auf die Muskelarbeit um das tatsächliche Verhalten in einer bewegten Atmosphäre. Dadurch verändert sich, welche Kosten verschiedenen Flugweisen zugeordnet werden.
Gemeint sind Transportkosten, also der Energieaufwand für eine bestimmte zurückgelegte Strecke, bei vergleichenden Betrachtungen häufig zusätzlich auf die Körpermasse bezogen. Diese Größe ist nicht identisch mit dem gesamten Tagesverbrauch eines Tieres. Ein Vogel benötigt auch Energie für Stoffwechsel, Temperaturregulation und andere Tätigkeiten. Selbst ein nahezu ohne Flügelschläge zurückgelegter Flug ist deshalb nicht völlig kostenlos. Er kann aber pro Meter deutlich weniger zusätzliche Muskelarbeit verlangen als eine dauerhaft schlagende Flugweise.
Besonders anschaulich ist der Vergleich zweier großer Vogelarten mit ungefähr elf Kilogramm Körpermasse. Der Andenkondor nutzte in den ausgewerteten Daten überwiegend Segelflug und schlug nur während ungefähr 0,1 Prozent seiner Flugzeit mit den Flügeln. Beim Trompeterschwan lag der entsprechende Anteil bei etwa 99 Prozent. Die Tiere bewegen somit ähnlich viel Körpermasse durch die Luft, erzeugen den benötigten Vortrieb und Höhengewinn aber auf sehr unterschiedliche Weise. Genau diese Differenz wird durch eine reine Betrachtung des Gewichts nicht erfasst.
Für den Kondor berechnete das Team um 79 Prozent niedrigere Kosten pro zurückgelegter Strecke. Anders ausgedrückt lag sein geschätzter Aufwand bei ungefähr einem Fünftel des Wertes für den Schwan. Diese Größenordnung bezieht sich auf den untersuchten Vergleich und die verwendete Berechnung. Sie ist keine feste Naturkonstante für jede Wetterlage oder jeden einzelnen Flug beider Arten. Besonders Start, Landung und ungünstige Luftbedingungen können andere Anforderungen stellen als ein längerer Abschnitt im günstigen Aufwind.
Aufwinde entstehen unter anderem, wenn sich Luft über erwärmtem Boden nach oben bewegt. Auch Gelände kann eine Luftströmung nach oben umlenken, etwa an einem Berghang. Ein Segelflieger kann solche Bereiche nutzen, um Höhe zu gewinnen, ohne den gesamten dafür nötigen Energieaufwand selbst durch Flügelschläge aufzubringen. Anschließend gleitet er weiter und verliert dabei allmählich wieder Höhe. Für die Fortbewegung wird so Energie aus der Umgebung nutzbar.
Dieser Zusammenhang verletzt keine physikalische Energiebilanz. Der Höhengewinn stammt aus einer bewegten Luftmasse, die ihrerseits beispielsweise durch Sonneneinstrahlung oder großräumige Wetterprozesse angetrieben wird. Das Tier muss geeignete Strukturen finden und mit seiner Flugweise ausnutzen. Wie lohnend das ist, hängt von den Flugeigenschaften und den verfügbaren Strömungen ab. Große Segelflieger können daher unter passenden Bedingungen besonders niedrige Transportkosten erreichen, ohne dass alle großen Vögel automatisch effizienter fliegen.
Beschleunigungssensoren erlaubten dem Team, aktiven Flügelschlag von ruhigeren Gleit- und Segelphasen zu unterscheiden. Die GPS-Daten zeigten, wo sich die Tiere bewegten und welche Strecken sie zurücklegten. Zusammen mit Informationen zu Wind und aufsteigender Luft ließen sich die jeweiligen Flugbedingungen einordnen. Auf dieser Grundlage schätzten die Forscher den energetischen Aufwand mit entsprechenden Modellen. Es wurde also nicht bei allen 850 Tieren der gesamte Stoffwechsel während jedes Fluges direkt gemessen.
Die ergänzenden Radardaten erweiterten die Betrachtung um kleinere fliegende Tiere in unterschiedlichen Größenklassen. Größenklassen sind dabei nicht mit einzeln bestimmten Arten gleichzusetzen. Ebenso wenig handelt es sich um einen Versuch, in dem dieselben Tiere abwechselnd schwammen, liefen und flogen. Der Vergleich zwischen Fortbewegungsarten verbindet vielmehr die aktualisierten Abschätzungen für den Flug mit etablierten Beziehungen für andere Bewegungsformen. Die Aussage lautet deshalb, dass besonders günstiger Segelflug die übliche Rangfolge verändern kann, nicht dass jeder Vogel jeden Fisch energetisch übertrifft.
Für Tiere mit hohem Flügelschlaganteil bleibt die Luft ebenfalls ein entscheidender Faktor. Rückenwind kann die über Grund zurückgelegte Strecke vergrößern, ohne dass dafür im gleichen Umfang zusätzliche Muskelarbeit nötig ist. Gegenwind kann den Aufwand pro tatsächlich erreichtem Kilometer erhöhen. Die Untersuchung unterscheidet deshalb zwischen verschiedenen Flugweisen und den jeweiligen atmosphärischen Bedingungen. Ein allgemeiner Mittelwert für eine Art kann solche Unterschiede nur begrenzt abbilden.
Damit ergänzt die Arbeit Fragen danach, wie Zugvögel ihre Ziele finden, um eine zweite Ebene. Orientierung erklärt, in welche Richtung ein Tier fliegt und welche Landschaften es ansteuert. Die Energiebilanz hilft zu verstehen, welche Strecke und welcher Zeitpunkt dabei günstig sein können. Eine geografisch kurze Verbindung muss nicht immer die energetisch billigste sein. Geeignete Luftströmungen können deshalb für eine Reise ebenso bedeutsam werden wie die Entfernung auf einer Karte.
Die Atmosphäre ist für fliegende Tiere damit mehr als der Raum zwischen Start und Ziel. Sie stellt Ressourcen bereit, die zeitlich und räumlich schwanken. Verändern sich Windverhältnisse und Aufwinde, können sich auch die Kosten bestimmter Flugstrecken ändern. Für Zugbewegungen und die Nutzung großer Landschaften könnte das erhebliche Bedeutung haben. Die Studie liefert dafür einen verbesserten Berechnungsrahmen, sagt aber nicht für jede Art voraus, ob künftige Bedingungen günstiger oder ungünstiger werden.
Die Autoren wollen ihre Abschätzungen künftig durch zusätzliche direkte Messungen des Energieaufwands verfeinern, etwa mithilfe physiologischer Daten. Dadurch ließen sich individuelle Unterschiede besser berücksichtigen als allein anhand der Bewegung. Bereits jetzt zeigt der Vergleich, weshalb Laborwerte für Tiere in freier Natur ergänzt werden müssen. Ein Kondor reist in einer Atmosphäre, aus der er aktiv Energie gewinnt. Unter geeigneten Bedingungen kann diese Fähigkeit das Fliegen zu einer der sparsamsten Fortbewegungsweisen im Tierreich machen.
Science, Airflows redefine the cost of aerial transport in the wild; doi:10.1126/science.aee6550
Zenodo, Data supporting “Airflows redefine the cost of aerial transport in the wild”; doi:10.5281/zenodo.21915776
