Riemenfische können ihren langen Körper durch das Wasser bewegen, während vor allem ihre Rückenflosse arbeitet. Eine neue anatomische Untersuchung erklärt, wie die zahlreichen Flossenstrahlen diese Bewegung ermöglichen. Besonders große Tiere werden auf bis zu acht Meter Länge geschätzt. Der Befund liefert auch Anregungen für technische Antriebe, ohne bereits einen einsatzfähigen Roboter zu beschreiben.
Ein langer, seitlich abgeflachter Körper und eine auffällige Rückenflosse geben Riemenfischen eine Gestalt, die sich deutlich von vielen vertrauten Fischen unterscheidet. Für ihre Fortbewegung müssen sie nicht bei jedem Manöver den gesamten Körper kräftig seitlich schlängeln. Stattdessen können Wellen entlang der Rückenflosse laufen und den Körper antreiben oder seine Lage beeinflussen. Das macht die Tiere für die vergleichende Anatomie interessant. Eine sichtbare Welle erklärt nämlich noch nicht, wie ihre einzelnen Abschnitte erzeugt und aufeinander abgestimmt werden. Unter der dünnen Flossenhaut liegen Strukturen, die Bewegung erlauben, Kräfte übertragen und die Form begrenzen. Wer nur einen Film des schwimmenden Tieres betrachtet, erkennt das Ergebnis dieses Zusammenspiels. Erst die Untersuchung des Körperbaus zeigt, welche mechanischen Voraussetzungen dahinterstehen. Die neue Arbeit verbindet deshalb Beobachtungen der Fortbewegung mit anatomischen Daten. Sie behandelt ein seit Langem bekanntes Tier, dessen ungewöhnlicher Antrieb in wichtigen Einzelheiten bislang nicht ausreichend beschrieben war.
Bei einer bewegten Flosse sind verschiedene Ebenen auseinanderzuhalten. Ein einzelner Flossenstrahl verändert seine Stellung, die verbindende Haut folgt den Bewegungen mehrerer Strahlen, und die gesamte Fläche wirkt auf das umgebende Wasser. Eine Welle entsteht, wenn benachbarte Abschnitte ihre Bewegung zeitlich versetzt ausführen. Der sichtbare Wellenberg kann deshalb entlang der Flosse wandern, obwohl die einzelnen Strahlen an ihren jeweiligen Ansatzstellen bleiben. Das lässt sich grundsätzlich mit einer Welle in einem gehaltenen Seil vergleichen. Der Vergleich erklärt die räumliche Fortpflanzung einer Verformung, nicht die genaue Anatomie des Fisches. Für den biologischen Antrieb ist zusätzlich entscheidend, welche Bewegungsrichtungen die Ansatzstellen erlauben und wie Muskeln diese nutzen. Eine zu starre Verbindung würde andere Muster zulassen als ein Gelenk mit größerer Beweglichkeit. Die Untersuchung richtet sich somit auf die Verbindung zwischen lokalem Bauplan und großräumigem Bewegungsergebnis. Genau dort liegt die offene Frage, die ein bloßes Video der schwimmenden Riemenfische nicht vollständig beantworten kann.
Forscher der Cornell University beschreiben in ihrer Mitteilung zur Anatomie der Riemenfische ein System aus Muskeln, Knorpel und besonders beweglichen Ansatzstellen. Jeder der zahlreichen Flossenstrahlen kann seine Richtung an der Basis verändern. Die Autoren vergleichen diese Beweglichkeit mit einem Steuerknüppel, der in unterschiedliche Richtungen geneigt werden kann. Gemeint ist keine unbegrenzte Rotation eines Strahls wie bei einer Propellerwelle. Vielmehr erlauben die Gelenke räumliche Bewegungen, durch die die miteinander verbundene Flossenfläche unterschiedliche Wellenformen erzeugt. Diese Unterscheidung verhindert ein missverständliches mechanisches Bild. Der Fisch besitzt nicht Hunderte kleine Schiffsschrauben auf dem Rücken. Sein Antrieb ist eine zusammenhängende, verformbare Fläche, deren einzelne Stützelemente gezielt bewegt werden können. Der anatomische Befund erklärt damit eine Voraussetzung für die beobachtete Beweglichkeit, ohne allein schon sämtliche Kräfte oder den gesamten Energieverbrauch während des Schwimmens zu messen. Solche Größen erfordern zusätzliche Untersuchungen des lebenden Tieres und seiner Wechselwirkung mit dem Wasser.
Die Rückenflosse muss nicht entlang ihrer gesamten Länge immer dasselbe Bewegungsmuster zeigen. Unterschiedliche Abschnitte können verschieden ausgerichtete Wellen ausführen. Dadurch entstehen zusätzliche Möglichkeiten, Vortrieb und Lage zu beeinflussen. Für die Steuerung ist das grundsätzlich etwas anderes als eine starre Antriebsfläche, die nur als Ganzes bewegt werden kann. Eine räumlich verteilte Betätigung erlaubt feinere Kombinationen. Welche Gesamtbewegung daraus folgt, hängt aber von mehr ab als der Richtung eines einzelnen Wellenbergs. Die Form der Flosse, die Stärke und Geschwindigkeit ihrer Verformung sowie die Bewegung des gesamten Körpers beeinflussen die Wechselwirkung mit der Flüssigkeit. Deshalb wäre es zu einfach, aus einer schematischen Zeichnung bereits eine genaue Schubkraft abzuleiten. Die neue Beschreibung macht vielmehr verständlich, weshalb der Bauplan unterschiedliche Muster überhaupt zulässt. Riemenfische können daneben auch Körperbewegungen einsetzen. Der Befund bedeutet also nicht, dass ihr Rumpf unter allen Umständen vollkommen starr bleibt. Er erklärt eine zusätzliche Fortbewegungsweise, bei der die Rückenflosse eine zentrale aktive Rolle übernimmt.
Die in Ichthyology & Herpetology veröffentlichte Untersuchung des Flossensystems kombiniert Präparationen, histologische Untersuchungen, Röntgenbilder, Computertomografie und die Analyse von Filmaufnahmen. Diese Methoden erschließen unterschiedliche Informationen. Eine Präparation kann den Verlauf von Muskeln zeigen, während räumliche Bildgebung die Lage innerer Strukturen dokumentiert. Histologie untersucht den feineren Aufbau von Gewebe. Filme liefern wiederum Hinweise darauf, welche Bewegungen der lebende Organismus tatsächlich ausführt. Keine dieser Informationsquellen ersetzt alle anderen. Ein anatomisch mögliches Gelenkspiel muss nicht bei jedem Schwimmvorgang vollständig genutzt werden. Umgekehrt kann ein Film zwar eine Bewegung zeigen, ohne ihren muskulären Ursprung eindeutig erkennen zu lassen. Die Kombination erlaubt es, beides aufeinander zu beziehen. Sie ist bei selten beobachteten Tieren besonders wichtig, weil lange kontrollierte Versuchsreihen mit lebenden Exemplaren nicht einfach vorausgesetzt werden können. Die Ergebnisse bleiben deshalb eine anatomisch begründete Erklärung des Antriebs und nicht automatisch eine vollständige Leistungsprüfung unter sämtlichen natürlichen Bedingungen.
Die empfindlichen Körper der Riemenfische erschweren ihre Untersuchung. Nach dem Tod können sie beschädigt werden oder in Abschnitte zerfallen, sodass nicht jeder Fund alle anatomischen Fragen beantworten kann. Ein gut dokumentiertes Exemplar erlaubt deshalb Untersuchungen, die mit einer kurzen Sichtung nicht möglich wären. Ein Beispiel lieferte ein 2024 bei San Diego geborgenes Tier, das von Fachleuten untersucht und für weitere Forschung gesichert wurde. Es handelte sich um ein männliches Exemplar von Regalecus russellii mit einer dokumentierten Länge von 3,735 Metern und einer Masse von 33,7 Kilogramm. Diese konkreten Messwerte beziehen sich auf dieses einzelne Tier, nicht auf einen Durchschnitt aller Riemenfische. Ebenso sind sie nicht die Körpermaße des gesamten Materials der neuen Cornell-Untersuchung. Der Fall veranschaulicht vielmehr den Wert wissenschaftlicher Sammlungen: Ein aufbewahrtes und nachvollziehbar beschriebenes Exemplar kann später mit neuen Fragen und anderen Verfahren erneut untersucht werden. Sammlung, Dokumentation und Forschung sind damit keine voneinander getrennten Aufgaben, sondern aufeinander aufbauende Schritte.
Die im Zusammenhang mit der neuen Arbeit genannte Länge von bis zu acht Metern beschreibt eine geschätzte maximale Größenordnung sehr großer Riemenfische. Sie bedeutet nicht, dass für diese Untersuchung ein acht Meter langes Tier vollständig im Labor vermessen wurde. Solche Unterscheidungen sind bei seltenen und empfindlichen Meeresorganismen wichtig. Eine Größenangabe kann auf einem vollständig erhaltenen Körper beruhen, aus unvollständigem Material abgeleitet sein oder eine in der Fachliteratur diskutierte Obergrenze bezeichnen. Diese Fälle besitzen nicht dieselbe Sicherheit. Auch die technische Bedeutung der Länge muss getrennt betrachtet werden. Ein langer Körper stellt andere Anforderungen an Steuerung und Lagekontrolle als ein kurzer, doch aus seiner Länge allein folgen weder besonders hohe Geschwindigkeit noch geringer Energieverbrauch. Für Vergleiche wären konkrete Messungen unter vergleichbaren Bedingungen nötig. Die Anatomie liefert hier zunächst eine Erklärung dafür, wie sich ein außergewöhnlich langgestreckter Körper mit Hilfe einer beweglichen Rückenflosse kontrollieren lässt. Die maximale Größenordnung macht diese Frage anschaulich, ersetzt aber keine Leistungsdaten des Antriebs.
Ausgangspunkt der Zusammenarbeit war das Interesse an einem großen Unterwasserroboter, der sich möglichst unauffällig bewegen und Messgeräte tragen könnte. Die natürliche Flosse bietet dafür ein mechanisches Vorbild, aber keinen unmittelbar fertigen Bauplan. Eine technische Umsetzung müsste unter anderem geeignete Gelenke, Antriebe, Materialien und eine Steuerung für die zeitlich abgestimmten Bewegungen verbinden. Außerdem wären Vortrieb, Wendigkeit, Geräuschentwicklung und Energiebedarf am tatsächlich gebauten System zu messen. Die Aussage, ein biologischer Mechanismus könnte für einen leisen Antrieb interessant sein, ist nicht gleichbedeutend mit dem Nachweis, dass eine entsprechende Maschine bereits leiser als andere Fahrzeuge arbeitet. Auch die Beobachtung eines Fisches erlaubt keine beliebige Übertragung auf andere Größen, Nutzlasten oder Strömungsbedingungen. Der Nutzen der neuen Anatomie liegt eine Stufe davor: Sie präzisiert, welche Bewegungsfreiheit ein technisches Gegenstück überhaupt nachbilden müsste. Damit wird aus einer auffälligen Schwimmweise ein besser beschriebener konstruktiver Ansatz. Ein einsatzfähiges großes Unterwasserfahrzeug ist damit noch nicht demonstriert.
Ichthyology & Herpetology, Dorsal-Fin Musculoskeletal System of Oarfishes (Regalecidae): Fin Rays as Rotating Elements in an Undulatory System; doi:10.1643/i2025091