"Diversitätsmechanik": Biomechanik als Treiber von Veränderungen phänotypischer Diversifizierung und Anpassung der Säugetiere

• Antragsteller: Brandon Kilbourne, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Systematik und Morphologie der Tiere ; Ökologie und Biodiversität der Tiere und Ökosysteme, Organismische Interaktionen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471201961

Alle Bewegungen in der Biologie sind von den Gesetzen der Physik abhängig, was darauf hindeutet, dass Biomechanik als Treiber der adaptiven Evolution fungieren kann. Der geplante Forschungsantrag untersucht den Zusammenhang zwischen funktioneller Morphologie und Phylogenie, um die Rolle der Biomechanik bei der phänotypischen Diversifizierung in Carnivora und Caviomorpha zu untersuchen. Hierbei handelt es sich um zwei vielfältige Säugetiergruppen, die Fortbewegungsweisen wie Laufen, Klettern, Graben und Schwimmen teilen. Das geplante Projekt verknüpft die phänotypische Variation in diesen beiden Gruppen mit biomechanischen Analysen durch Finite-Elemente (FE)- und Performance-Landschaft-Modellierung. Die FE-Modellierung schätzt ab, wie Knochen bei der Aufnahme von Lasten funktionieren, indem mechanische Verformung und die Verteilung der inneren Kräfte unter angewandten Lasten quantitativ abgeschätzt wird. Mit Hilfe der FE-Analyse werden mein Team und ich Belastungsregime (Momente und Scherkräfte) und Dehnungsregime (Haupt-, Axial- und Scherdehnungen) in 5%-Schritten entlang der Länge der Knochen unter einer Reihe von angewandten Lasten berechnen. Wir werden dann testen, ob sich Bewegungsgewohnheiten von Carnivora und Caviomorpha in den Belastungs- und Dehnungsregimen entlang der Länge eines Knochens unterscheiden. Mit einem Test auf Konvergenz werden wir prüfen, ob die Bewegungsgewohnheiten innerhalb und zwischen Carnivora und Caviomorpha konvergent sind, sowohl in Bezug auf die Morphologie der Knochen (basierend auf linearer Morphometrie) als auch auf die Belastungs- und Dehnungsregime. Performance-Landschaften stellen die adaptive Landschaft in Bezug auf die biomechanische Funktion dar. Es entsteht eine topografische 3D-Oberfläche, die einen Morphospace überlagert. Die verschiedenen Regionen der Landschaft repräsentieren dann unterschiedliche relative Gewichtungen für eine Reihe von biomechanischen Funktionen, die für die Morphologien, die den Morphospace bilden, gemessen wurden. Nachdem ein Morphospace durch geometrische Morphometrie konstruiert wird, werden wir fünf biomechanische Funktionen messen, um eine Reihe von relativen Gewichtungen für diese Funktionen über den Morphospace hinweg zu bestimmen. Wir werden dann feststellen, ob unterschiedliche Fortbewegungsweisen von Carnivora und Caviomorpha Regionen des Morphospace besetzen, die sich durch unterschiedliche relative Gewichtungen der biomechanischen Funktionen unterscheiden und ob konvergente Linien ähnliche relative Gewichtungen teilen. Die Kombination von FE- und Performance-Landschaft Modellierung wird aufklären, wie morphologische Diversifikation mit Biomechanik zusammenhängt und wird bestehende Studien zur Evolution von Gruppen und Merkmalen ergänzen. Darüber wird die geplante Forschung eine neue Vorlage erschaffen, die Biomechanik und Morphologie in hoher Auflösung quantitativ verknüpft, mit Auswirkungen weit über Carnivora und Caviomorpha hinaus.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen