Information

Untersuchung: Was ist der Zusammenhang zwischen Schrittlänge und Beinknochen? - Biologie

Untersuchung: Was ist der Zusammenhang zwischen Schrittlänge und Beinknochen? - Biologie


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ziele:

  • Sammeln Sie Daten von Mitschülern, um die Beziehung zwischen Fußlänge, Beinlänge, Körpergröße und Schrittlänge zu bestimmen.

  • Verstärken Sie Begriffe, die sich auf das Skelettsystem beziehen

Materialien: Meterstab oder Maßband, Computer (Excel oder Google Sheets) für Diagrammdaten oder Millimeterpapier

Hypothese: Schreiben Sie eine Aussage, die angibt, mit welcher Messung (Fußlänge, Femurlänge, Ulnalänge) die Höhe vorhergesagt werden kann.

Maße: Alle Maße sollten in Zentimetern angegeben werden. Sammeln Sie Daten von 4 Personen, Sie können Daten aus Ihrer eigenen Gruppe verwenden und mit einer anderen Gruppe teilen, um die Tabelle zu vervollständigen.

Fußlänge

Femurlänge

Ulna-Länge

Höhe

Thema 1

Thema 2

Thema 3

Thema 4

Fußlänge: Abstand von der Rückseite der Ferse bis zu den Zehen
Femurlänge: Abstand vom lateralen Epicondylus zum Acetabulum
Höhe: Abstand vom Boden bis zur Oberkante des Kopfes
Ulnalänge: Abstand zwischen Ellenbogen und Wölbung des Processus styloideus am Handgelenk

Weisen Sie jedem Mitglied Ihrer Gruppe zu, eine der Variablen und die Höhe grafisch darzustellen. Die Höhe sollte auf der Y-Achse liegen und die anderen Knochenlängen sollten auf der X-Achse platziert werden. Sie haben für jedes Thema eine Zeile.

Daten analysieren
  1. Nachdem Sie jedes der erstellten Diagramme analysiert haben, welche beiden Variablen basierend auf Ihren Daten die stärkste Korrelation aufweisen. Erklären Sie, woher Sie das wissen.
  2. Eine Person hat eine Ulnalänge von 26 Zentimetern. Verwenden Sie Ihre Grafiken, um die Größe dieser Person zu schätzen: _______
  3. Eine Person hat eine Fußlänge von 22 Zentimetern. Verwenden Sie Ihre Grafiken, um die Größe dieser Person zu schätzen: ________

Teil II: Was ist die Beziehung zwischen Fußlänge und Schrittlänge?

Anweisungen:

  1. Markieren Sie einen Abstand von 20 Metern, Ihr Lehrer hat dies möglicherweise bereits im Flur getan.
  2. Gehen Sie die Länge, indem Sie die Anzahl der Schritte zählen.
  3. Berechnen Sie die Schrittlänge (Abstand / Anzahl der Schritte)
  4. Messen Sie die Beinlänge, den Abstand von der Ferse bis zur Hüfte
  5. Verwenden Sie Ihre Daten aus der letzten Übung für die Fußlänge.
  6. Berechnen Sie das Verhältnis von Schrittlänge zu Beinlänge. (Schritt / Bein)
  7. Sammeln Sie Daten von 6 verschiedenen Themen.

Fußlänge

Beinlänge

Schrittlänge

Schritt/Bein

Thema 1

Thema 2

Thema 3

Thema 4

Thema 5

Thema 6

Daten analysieren:

Erstellen Sie ein weiteres Diagramm, das die Beziehung zwischen Schrittlänge und Beinlänge zeigt. Platzieren Sie die Schrittlänge auf der X-Achse und die Beinlänge auf der Y-Achse. Erstellen Sie Plotpunkte für jedes Ihrer Themen. Dies wird keine gerade Linie sein, sondern sollte eine allgemeine Beziehung zeigen. Hängen Sie die Grafik an diese Seite an.

  1. Sehen Sie ein Muster in den Grafiken? Wie sieht das Verhältnis zwischen Schrittlänge und Beinlänge aus?
  2. Beschreiben Sie anhand beider Datensätze, wie Sie die Körpergröße einer Person bestimmen können, wenn Sie ihre Schrittlänge kennen.
  3. Welche der getesteten Variablen ist Ihrer Meinung nach die genaueste, um die Körpergröße einer Person zu bestimmen? Verteidigen Sie Ihre Wahl mit Daten aus Ihren Experimenten.
  4. Es kam zu einem Einbruch und die Polizei identifizierte zwei Fußspuren am Tatort. Verwenden Sie die abgebildete Grafik, um die Körpergröße der beiden Einbrecher anhand ihrer Fußlänge und Schrittlänge abzuschätzen. Verteidigen Sie Ihre Schätzung, indem Sie auf Daten aus einem der Diagramme verweisen, die Sie in dieser Aktivität erstellt haben.


5. Forensiker können das Gewicht einer Person auch anhand von Schritten schätzen. Entwerfen Sie ein Experiment, bei dem Sie testen können, ob Schritte und Gewicht korreliert werden können.

6. Paläontologen finanzieren „Fußabdruckspuren“ von Affen, Menschen und alten Hominiden. Merkmale der Spuren können Aufschluss über Größe, Gangart und sogar darüber geben, ob das Tier zwei- oder vierbeinig war. Vergleichen Sie die gezeigten Fußabdrücke eines Menschen (zweibeinig) und eines Schimpansen (vierbeinig). Nennen Sie zwei Ähnlichkeiten und zwei Unterschiede, die aus dem Bild ersichtlich sind.


Untersuchung: Welcher Zusammenhang besteht zwischen Schrittlänge und Beinknochen? - Biologie

© 2013 ENSI (Evolution & the Nature of Science Institutes) www.indiana.edu/

Geboren um zu rennen:
Labor für künstliche Selektion

Theodore Garland, Jr., Ph.D.
(Universität von Kalifornien, Riverside)


Variation und natürliche Selektion

BESONDERER HINWEIS: Artikel zu Born to Run Wissenschaftsbereich (2014)
Ein Artikel mit dieser Lektion wurde veröffentlicht in Wissenschaftsbereich, NSTAs Zeitschrift für naturwissenschaftliche Lehrer an Mittelschulen (und auch für viele Gymnasiallehrer verwendet). Co-Autor Ted Garland, Jr. hat Ihnen den Artikel vor der Veröffentlichung direkt auf seiner Website zur Verfügung gestellt. Hier ist das Zitat, die Online-Quelle und die Zusammenfassung des Artikels:
Radojcic, T., und T. Garland, Jr. 2014. Born to run: Experimentelle Evolution von hoher freiwilliger Bewegung bei Mäusen. Wissenschaftsbereich, Sommer 2014, S. 3-12.
http://www.biology.ucr.edu/people/faculty/Garland/Radojcic_and_Garland_2014_Born_to_Run_Lesson_Plan.pdf

ABSTRAKT
Studenten erhalten selten Gelegenheiten für forschendes Lernen, wenn sie Evolution studieren. Die meisten ihrer praktischen Lernerfahrungen sind Simulationen oder beinhalten die Überprüfung von bereits gesammelten Daten. In dieser Lektion untersuchen die Schüler die Veränderungen in den Beinknochen von Mäusen, die im Labor künstlich auf hohe Radlaufleistungen selektiert wurden. Das Laufrad von Labornagern kann als Modell der freiwilligen Bewegung des Menschen oder als Modell der täglichen Bewegungen anderer Tiere in der Natur angesehen werden und ist daher sowohl für die angewandte als auch für die Grundlagenforschung relevant. Da sich das Radlaufverhalten der "High Runner" -Mäuselinien über Dutzende von Generationen hinweg entwickelt hat, wurden auch viele andere Veränderungen bei den Mäusen beobachtet, die andere Verhaltensweisen, Physiologie und Morphologie umfassen. Die Schüler entwickeln Hypothesen darüber, wie sich die Oberschenkelknochen (Femuren) von Tieren, die gute Läufer sind, von denen unterscheiden können, die es nicht sind. Sie entwickeln ein Protokoll zum Testen ihrer Hypothese, indem sie digitale Fotos verwenden, um die Knochen ausgewählter Tiere und Kontrolltiere (aus Generation 11) zu messen und dann ihre Daten zu analysieren, um festzustellen, ob ihre Hypothesen bestätigt wurden. Auf diese Lektion, einschließlich unterstützender Ressourcen, kann auf der Website The Evolution and Nature of Science (2012) zugegriffen werden.

SPEZIELLE NOTIZ: Wenn Sie diese Lektion mit Ihrer Klasse verwenden,
Bitte teilen Sie uns Ihre Erfahrungen mit. Bitte senden Sie eine E-Mail an Ted Garland an [email protected]

ZUSAMMENFASSUNG

PRINZIP KONZEPT

VERBUNDENE KONZEPTE

BEWERTUNGSBARE ZIELE MATERIALIEN (Lehrervorbereitung)

Fotografien von Maus-Femuren, entweder digital oder gedruckt (siehe oben unter MATERIALIEN).

LEHRSTRATEGIE

Diese Lektion wird am besten als abschließende Aktivität verwendet, die die während des Studiums der Evolution erlernten Konzepte mit den in den Untersuchungs- und Untersuchungsstandards skizzierten Fähigkeiten verbindet.

Erforderliche Vorkenntnisse
In dieser Lektion wird davon ausgegangen, dass die Schüler bereits wissen, wie die natürliche Selektion auf individuelle Variationen in (erblichen) phänotypischen Merkmalen wirkt, was zu Populationen von Organismen führt, deren Durchschnittswert sich über Generationen hinweg ändert und Anpassungen ergeben, die ihnen besser an ihre Umweltbedingungen angepasst sind. Die Schüler sollten wissen, dass es Beweise dafür gibt, dass sich Populationen von Organismen in der Vergangenheit zu verschiedenen Arten entwickelt haben. Die gemeinsamen Merkmale bestimmter Artengruppen (z. B. alle Arten von Caniden oder alle Arten von Feliden) weisen auf ihre evolutionären Beziehungen hin (dh alle Arten von "Hunden" haben sich irgendwann in der Vergangenheit aus einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt, und so auch für alle Arten von "Katzen").

Häufige Missverständnisse
Studenten denken häufig, dass die Evolutionsprozesse nur in der Vergangenheit stattgefunden haben und nicht in der Gegenwart. Sie denken auch, dass Evolution nicht in Echtzeit (z. B. innerhalb einer menschlichen Lebensspanne) beobachtet werden kann. Stellen Sie sicher, dass Sie diese Missverständnisse während der Klassendiskussionen ansprechen, indem Sie die Parallelen zwischen den im Labor beobachteten Effekten sowie bekannteren Phänomenen der Tierhaltung (z.

Schüleranliegen
Die Schüler werden oft fragen, wie die Mausknochenproben gewonnen werden, und ihre Besorgnis über mögliche Grausamkeiten äußern. Nutzen Sie die Gelegenheit, um darauf hinzuweisen, dass Tiere gemäß den bundesstaatlichen Vorschriften, die die Verwendung von Tieren regeln, human geopfert werden. Um sicherzustellen, dass Tiere artgerecht behandelt werden, ist eine umfassende Ausbildung aller Forscher erforderlich. Forscher sind Tierfreunde! Erklären Sie, dass die Mäuse, die in diesen Experimenten verwendet wurden, nach der Tötung skelettiert wurden, indem ihre Kadaver Käfern ausgesetzt wurden, die das weiche Körpergewebe entfernen. Forscher haben die in diesem Experiment verwendeten Skelette bereits verwendet, um andere Unterschiede zwischen ausgewählten und Kontrolltieren zu untersuchen (z. B. Freeman und Garland 2005 Kelly et al. 2006 Middleton et al. 2008). Die getöteten Tiere werden in möglichst vielen Studien verwendet, nicht nur um unnötigen Tiereinsatz zu vermeiden, sondern auch um möglichst effizient zu sein. Die Vorplanung experimenteller Protokolle und Methoden ist ein wichtiges Thema, nicht nur in Forschungslabors, sondern auch in Klassenexperimenten.

Messtechniken
Wenn an Ihrer Schule Computerzugriff verfügbar ist, ist es am besten, den Schülern die Verwendung von Image J Freeware zur Durchführung der Messungen zu ermöglichen. In der PowerPoint-Präsentation für Lehrer wird eine Einführungsfolie bereitgestellt, und die Techniken können in Echtzeit mit einem Computerprojektor demonstriert werden. Die Studierenden sind in der Lage, in relativ kurzer Zeit mehrere Stichproben durchzuführen und zu tabellieren. Wenn keine Computer verfügbar sind, können Sie die Fotos auch ausdrucken und die Schüler mit Linealen manuell messen lassen (siehe letzte Folien in der PowerPoint-Präsentation für Lehrer und im Abschnitt Verfahren unten).

Verwendung der Datensätze
Die verfügbaren Daten ermöglichen Ihnen eine große Flexibilität, die Aktivität an die Fähigkeiten/Interessen der Klasse anzupassen oder sich auf verschiedene Aspekte der Datenerhebung und -analyse zu konzentrieren. Sie können sie nach Bedarf anpassen!

Die Daten werden in einem Satz gesammelt, der die rechte und linke Femora der Kontrolle und ausgewählte Tiere der Generation 11 enthält (Laborbezeichnung ist G12, da die Generation vor der Selektion Generation 0 genannt wurde) (Garland und Freeman 2005). Sie können die Bilder in verschiedenen Ordnern anordnen, je nachdem, wie Sie den Unterricht fokussieren oder ihn an die Hypothesen anpassen, die von einzelnen Schülern erstellt werden. Die Schüler können die Beinsymmetrie bewerten, indem sie links und rechts vergleichen, ausgewählte und Kontrolllinien vergleichen, männlich und weiblich vergleichen oder eine Generation mit einer anderen vergleichen.

Jedes Bild ist mit der folgenden Konvention C/S für die Kontrolle oder der ausgewählten individuellen Identifikationsnummer LF/RF für das linke oder rechte Femur f/m für männlich oder weiblich und eine Nummer für die Kontrolllinie (bezeichnet als Linien 1, 2, 4 .) gekennzeichnet oder 5) oder ausgewählte (bezeichnet als Zeilen 3, 6, 7 oder 8) Maus. Die Körpermasse jedes Individuums ist in einer Excel-Datei enthalten (siehe MATERIALIEN) und kann weiter verwendet werden, um die gesammelten Daten auszuwerten (z.

Bilder von anderen Knochen (z. B. Becken, Schulterblatt) können bei Dr. Garland angefordert werden [Bürotelefon 951-827-3524 [email protected]].

Ergänzende Informationen für Lehrer
Da sich diese selektiv gezüchteten Mäuselinien über viele Generationen hinweg entwickelt haben, haben die Forscher versucht, nicht nur zu bestimmen, wie sich die Anzahl der Radläufe erhöht hat, sondern auch, welche anderen verhaltensbezogenen, morphologischen und physiologischen Merkmale sich gemeinsam entwickelt haben. Einige dieser korrelierten Veränderungen (z. B. Veränderungen der Gliedmaßenknochen, Erhöhung der Ausdauerkapazität, Erhöhung der maximalen aeroben Kapazität [VO2max]) scheinen Anpassungen darzustellen, die ein hohes Maß an Ausdauerlauf ermöglichen. Bestimmte Veränderungen in den ausgewählten Mäuselinien können jedoch "zufällige" Nebenprodukte von Veränderungen anderer Merkmale darstellen. Zum Beispiel haben die ausgewählten Mäuselinien eine kleinere Körpergröße, haben weniger Körperfett und haben höhere zirkulierende Spiegel des Hormons Corticosteron in ihrem Blut im Vergleich zu den nicht ausgewählten Kontrolllinien. Es ist nicht klar, ob diese Unterschiede Anpassungen oder Nebenprodukte darstellen.

Es ist wichtig zu verstehen, dass das Experiment 4 separate selektiv gezüchtete High Runner-Linien und 4 zusätzliche nicht-selektierte Kontrolllinien von Mäusen umfasst. Diese Art der Replikation ist in jedem wissenschaftlichen Experiment erforderlich. Hier ist es notwendig, starke Rückschlüsse darauf zuzulassen, welche Merkmale sich wirklich als korrelierte Reaktionen auf die Zucht für hohe freiwillige Radläufe entwickelt haben. Für Ihre Übungen können Sie jedoch einige dieser Details in der Erklärung des Experiments und/oder in Bezug auf die Knochen, die die Schüler messen, überspringen.

VERFAHREN

ENGAGE: Bewertung des Vorwissens und Einführung des künstlichen Selektionsexperiments:

Vorbereitung: Laden Sie das Schülerhandout für das Labor für künstliche Auswahl herunter und machen Sie Kopien. Laden Sie die PowerPoint-Datei für Lehrer herunter, die Sie verwenden werden, um Ihren Schülern diese Übung vorzustellen, und sehen Sie sie sich an. Laden Sie die Videopräsentation von Dr. Garland herunter. Laden Sie die PowerPoint-Präsentation herunter, die Dr. Garland im Video verwendet hat (dies kann hilfreich sein, um Fragen zu beantworten, die die Schüler nach dem Ansehen des Videos haben). NOTIZ: Der Zugriff auf das Video von Dr. Garland kann etwa 15 Minuten dauern. Hier ist die kleinere Speicherversion dieses Videos.

Präsentation: Verteilen Sie das Handout für das Labor für künstliche Auswahl. Die Schüler zeichnen einen realen oder hypothetischen Organismus, der ein guter Läufer ist. Lassen Sie die Gruppen ihre Zeichnungen vergleichen und die Gemeinsamkeiten teilen. Notieren Sie die Antworten der Schüler an der Tafel.

Bewerten Sie das Vorwissen der Schüler über evolutionäre Prozesse und Ergebnisse, einschließlich Anpassungen, indem Sie Fragen wie: "Wie passt diese Funktion den Organismus an, um schnell zu laufen?" "Wie könnte die natürliche Selektion auf eine Population von Organismen wirken, denen diese Anpassung fehlt?" Sie können das Denken der Schüler fördern, indem Sie Strichmännchen skizzieren, wenn die Schüler lange Beine erwähnen, ein Strichmännchen mit einem langen und einem kurzen Bein zeichnen. Fragen Sie: "Wie könnte die Länge des Beins dieses Organismus seine Lauffähigkeit beeinflussen? Gibt es andere Faktoren, die wichtig sein könnten?"

Bitten Sie die Schüler, einen Absatz zu schreiben, um zu antworten: "Erklären Sie, wie die natürliche Selektion auf eine Population von Organismen wirken könnte, der diese Anpassung fehlt." Sammeln Sie die Papiere, um das Vorwissen des Schülers zu bewerten. Verwenden Sie die Antworten der Schüler, um Missverständnisse zu identifizieren, die geklärt werden müssen, oder Konzepte, die zusätzliche Anweisungen/Klärung erfordern.

EXPLORE A: Erfahren Sie mehr über experimentelle Ansätze zur Erforschung der Evolution:

Präsentation: Erklären Sie, dass Sie ein Video eines Forschers zeigen, der experimentelle Evolution untersucht. In seinem Experiment hat er die natürliche Selektion im Labor modelliert.
Zeigen Sie das Video von Dr. Garlands Präsentation über das künstliche Selektionsexperiment.
HINWEIS: Der Zugriff auf dieses Video kann etwa 15 Minuten dauern. Hier ist die kleinere Speicherversion dieses Videos.

Erklären:
Bitten Sie die Schüler, die folgenden Fragen zu besprechen und dann einen Absatz zu schreiben, um ihr Gelerntes zusammenzufassen:
1. Was sind Ihrer Meinung nach die wichtigsten Unterschiede im Körper der High Runner-Mäuse im Vergleich zu den Kontrollen? Erklären Sie, warum diese Ihrer Meinung nach wichtig sind.
2. Welche Unterschiede können Sie bei den Beinen einer High-Runner-Maus im Vergleich zu einer Kontrolle erwarten?
3. Warum denkst du, dass ein experimenteller Ansatz zur Erforschung der Evolution wertvoll sein könnte?

EXPLORE B: Untersuchung des Effekts künstlicher Selektion auf Beinknochen von Mäusen mithilfe von Inquiry: Entwicklung einer Hypothese, Entwurf der Methode und Durchführung der Messungen:

Vorbereitung: Sehen Materialien und Lehrstrategie Oben Messtechniken und Verwenden der Datensätze.
1.
Künstliche Auswahl Lab Lehrer PowerPoint
2. Artificial Selection Lab Schülerhandout für Image J und Schülercomputer mit vorinstallierter Image J Freeware und Femur-Image-Ordnern.
ODER
3.
gedruckte Oberschenkelknochenbilder, Lineale und Millimeterpapier (Anweisungen finden Sie in den letzten Folien in der PowerPoint-Präsentation für Lehrer)

Präsentation: Verteilen Sie das Schülerhandout des Labors für künstliche Auswahl und zeigen Sie die PowerPoint-Präsentation des Lehrers, die die Schritte des experimentellen Entwurfsprozesses zusammenfasst. Alternativ können Sie das Handout des künstlichen Auswahllabors auch mit einem Projektor anzeigen, um die Bilder auf dem Computer des Lehrers anzuzeigen und jeden Schritt zu besprechen.

Bitten Sie die Schüler zu diskutieren: „Was würden Sie von den Beinen eines guten Läufers erwarten?“ Lassen Sie die Schüler mit ihrer Laborgruppe diskutieren. Lassen Sie Vertreter jeder Gruppe die Ideen mit der Klasse teilen. [Studenten nennen im Allgemeinen Beinlänge, Muskeln und Körpergröße]. Fordern Sie die Schüler auf, sich an die Videopräsentation von Dr. Garland zu erinnern und sie zu bitten, zu diskutieren: „Würden die Beinknochen von Mäusen, die für das freiwillige Laufradrennen gezüchtet wurden, auch Veränderungen aufweisen? Welche Art von Veränderungen könnten Sie erwarten?“

Es ist hilfreich, Gruppen von Schülern tatsächliche Oberschenkelknochen von Mäusen zu geben, damit sie sich vorstellen können, wie die Knochen aussehen. Eine gute Quelle für Maus-Femuren besteht darin, sie aus Eulenpellets zu sezieren, die recht günstig sind oder oft bereits an vielen Schulstandorten erhältlich sind. Die Schüler werden sich bewusst, dass die Knochen tatsächlich winzig sind und dass die Fotos, die Sie später zeigen werden, die tatsächlichen Knochen erheblich vergrößern. Wissenschaftler im Labor von Dr. Garland haben diese Knochen bereits mit Mikrometern vermessen. Das Zeigen eines tatsächlichen Mikrometers an dieser Stelle macht deutlich, wie schwierig die Technik tatsächlich ist. Wenn Sie kein Mikrometer zur Hand haben, ist Google Bilder eine gute Quelle für Bilder. Zum Beispiel wird ein animierter Mikrometer gezeigt
Hier

Zeigen Sie den Schülern die Femurbilder und erklären Sie, dass es sich um Fotografien von Beinknochen von ausgewählten und Kontrollmäusen handelt.


Diese Knochen stammen von Mäusen, die aus der 11. Generation des Selektionsexperiments entnommen wurden. Heben Sie hervor, dass Tiere aus den ausgewählten Linien mehr laufen als die Kontrollen, indem Sie in den folgenden Grafiken auf die Generation hinweisen. Das erste Diagramm zeigt getrennt Daten für die 4 ausgewählten Linien und die 4 nicht ausgewählten Kontrolllinien. Die zweite Grafik zeigt die durchschnittliche Werte für die selektierten und Steuerleitungen, sowie die durchschnittliche Differenz zwischen ihnen.

]

]

Eine Hypothese entwickeln: Fordern Sie die Schüler auf, die Dinge zu besprechen, die an den Beinen ausgewählter Tiere und Kontrolltiere unterschiedlich sein könnten, und listen Sie sie in Teil A ihres Laborhandzettels auf. Die Schüler müssen dann entscheiden, was sie auf den Femurbildern messen und in Teil B ihres Laborhandouts festhalten. Wenn Studierende in Gruppen arbeiten, muss die Entscheidung gemeinsam getroffen werden. [Gelegentlich werden die Schüler in Teil A Änderungen auflisten, die anhand der verfügbaren Stichproben nicht ermittelt werden können. Erinnern Sie sie daran, dass sie in der Lage sein müssen, etwas zu messen, um dies testen zu können.] Lassen Sie die Schüler dann ihre Hypothese aufzeichnen. Das Wenn-Dann-Format wird nicht empfohlen.Stellen Sie nur sicher, dass es eine vorläufige Erklärung enthält, die getestet werden kann, oder eine mögliche Interaktion beschreibt, die getestet werden kann.

Entwicklung einer Methode: Sagen Sie den Schülern, dass sie entscheiden sollen, wie sie die Knochen messen. Demonstrieren Sie die Messung der Femurlänge in verschiedenen Bildern mit verschiedenen Orientierungspunkten. Fragen Sie, ob dies eine gute Möglichkeit wäre, Daten zu sammeln. Was ist daran falsch? Wie könntest du es verbessern?? Die Schüler werden diese Technik leicht korrigieren. Lassen Sie sie auf ihrem Laborhandout angeben, wie sie die Proben messen werden, indem sie eine Linie auf das Bild ziehen.

Durchführung der Messungen: Die Schüler können die Proben in zwei verschiedenen Variationen messen: automatisiert mit der Freeware Image J und manuell mit direkter Messung von Bildern.
Vorbereitung für automatisierte Messungen: Stellen Sie sicher, dass auf allen Schülercomputern Image J und die Ordner mit ausgewählten Proben und Kontrollproben vorinstalliert sind. Es vermeidet Verwirrung, separate Ordner für die Steuerung und ausgewählte Mäuse zu haben. Wenn Sie einen fächerübergreifenden Unterricht vereinbart haben, halten Sie Flash-Laufwerke bereit, um die erhobenen Daten zu speichern.

Vorgehensweise bei automatisierten Messungen: Weisen Sie die Schüler auf die Anweisungen zur Verwendung von Image J auf ihrem Handout hin. Führen Sie die Schüler durch die Schritte. Demonstrieren Sie die Technik am Lehrercomputer mit einem Projektor. Erinnern Sie die Schüler an die Auswahl zusammenfassen um Durchschnittsmessungen anzuzeigen, nachdem Sie fertig sind, um die Durchschnittswerte anzuzeigen. Bild-J-Dateien werden als Excel-Dateien gespeichert, so dass es einfach ist, wenn Sie und Ihre Schüler die Daten für eine spätere Analyse im Mathematik- oder Computerunterricht speichern möchten. (Siehe fächerübergreifende Optionen für Erweiterungen und Variationen weiter unten.) Warnhinweis: Die Schüler können diese Funktion nicht verwenden, wenn sie sowohl Kontroll- als auch ausgewählte Datensätze zusammen messen. Die Mittelwerte der Zusammenfassungsfunktion alle die Proben im Datensatz.

Vorbereitung für manuelle Messungen: Bilder drucken (vier pro Seite funktionieren gut). Die Bilder können zur wiederholten Verwendung laminiert werden. Markieren Sie die Rückseite jedes Bildes, damit die Schüler ausgewählte und Kontrollproben sowie einzelne Mäuse unterscheiden können. Bereiten Sie für jede Laborgruppe einen Ordner vor, der Bilder von ausgewählten Tieren und Kontrolltieren enthält. Halten Sie metrische Lineale und Taschenrechner bereit.

Vorgehensweise bei manuellen Messungen: Verteilen Sie Manila-Ordner, die eine Auswahl gedruckter Bilder von ausgewählten Tieren und Kontrolltieren enthalten. Die Schüler können jeweils 8 Bilder erfolgreich messen und anschließend ihre Ergebnisse mit denen von drei anderen Schülern in ihrer Laborgruppe zusammenstellen. Sie können dies nach Bedarf anpassen, es ist jedoch unrealistisch anzunehmen, dass alle verfügbaren Fotos gemessen werden können. Wenn alle Schüler die gleichen Merkmale (zB Oberschenkellänge) gemessen haben, können die Klassendaten zusammengestellt werden.

Optionale mathematische Erweiterung für manuelle Messungen: (siehe Abschnitt Verlängerung) Erinnern Sie die Schüler daran, dass die von ihnen vorgenommenen Messungen nicht die tatsächlichen Längen der Oberschenkelknochen wiedergeben. Vergleichen Sie einen tatsächlichen Maus-Femur mit dem Bild, entweder auf einem Overhead-Projektor oder einer Doc-Cam. Fragen Sie die Schüler, wie sie die von ihnen durchgeführte Messung verwenden könnten, um die tatsächliche Größe des Knochens zu berechnen. Bieten Sie den Schülern eine zusätzliche Kreditoption an, um die tatsächlichen Größen der Oberschenkelknochen zu berechnen. Bitten Sie die Schüler, die Gültigkeit der Verwendung von Werten zu verteidigen, die nicht für die Vergrößerung korrigiert wurden, um ihre Schlussfolgerung zu bilden.

EXPLAIN: Präsentieren der Daten und Schreiben einer Schlussfolgerung.

Ergebnisse und Fazit: Fragen Sie: Wie lassen sich diese Ergebnisse am besten grafisch darstellen? [Schüler können schnell mit "Balkendiagramm" antworten, wenn Schüler Schwierigkeiten haben. Fragen Sie: Nennen Sie verschiedene Arten von Diagrammen. Welche Art wäre am besten, um die Ergebnisse dieser Untersuchung zu zeigen?] Verwenden Sie die PowerPoint-Präsentation für das Labor für künstliche Auswahl, um die erforderlichen Elemente zu beschreiben. Schülergruppen stellen ihre Ergebnisse auf Posterpapier, Whiteboards oder Overhead-Folien grafisch dar und teilen die Ergebnisse mit dem Rest der Klasse. Häufig messen mehrere Gruppen die Beinlänge und erhalten unterschiedliche Ergebnisse für ausgewählte Gruppen und Kontrollgruppen. Leiten Sie Diskussionen, in denen die Klasse analysiert, warum diese Unterschiede auftreten können (z. B. Stichprobenfehler).

Bitten Sie die Schüler, ein Brainstorming durchzuführen, was zu einem guten Abschluss gehören würde. Sammeln Sie die Antworten der Schüler und notieren Sie sie auf einem Posterpapier. Bearbeiten Sie die Liste als Klasse und posten Sie sie im Klassenzimmer als Referenz für die Schüler, während sie ihr Abschlussstück schreiben. Alternative Option: Sehen Sie sich das PowerPoint-Panel des Lehrers für künstliche Auswahl an, in dem die erforderlichen Elemente für die Schlussfolgerung beschrieben werden.

BEWERTUNG

ERWEITERUNGEN Erweiterungen für die Datenanalyse: Bilder der rechten und linken Oberschenkelknochen von ausgewählten und Kontrollproben von zwei verschiedenen Mäusegenerationen stehen den Schülern zur Messung zur Verfügung. Klassendiskussionen, die unmittelbar im Anschluss an das Video von Dr. Garland stattfinden, könnten eine Vielzahl von Fragen aufwerfen, die durch Neuanordnen der Bilder in den Ordnern leicht ausgewertet werden könnten. Zum Beispiel, 1) Geschlechtsunterschiede durch Vergleich männlicher und weiblicher Auswahl und Kontrolle 2) Unterschiede in der Beinsymmetrie durch Vergleich des linken und rechten Knochens ausgewählter und Kontrollmäuse 3) Unterschiede in den Generationen durch Vergleich ausgewählter und kontrollierter in zwei Generationen Erinnern Sie die Schüler daran, dass jede der gemessenen Proben von verschiedenen Mäusen stammt, die unterschiedliche Körpergrößen haben. Können Unterschiede auf die Körpergröße zurückgeführt werden? Wie könnten die Schüler dies korrigieren? Die Körpermasse zum Zeitpunkt des Todes für jedes der Exemplare ist in einer Excel-Datei verfügbar (Listing_for_STEM_April_2012_ohne_Femur_Data.xls). Eine andere Version dieser Datei enthält die Daten für rechte und linke Femurlängen in mm, wie sie in der Veröffentlichung von Garland und Freeman (2005) verwendet werden. (Listing_for_STEM_April_2012_with_Femur_Data.xls). Die Schüler können Grafiken der Femurlänge (Y-Achse) gegenüber der Körpermasse (X-Achse) erstellen. Fächerübergreifende Optionen Einige Vorplanungen mit Mathematik- und Computerlehrern könnten es den Schülern ermöglichen, die grafischen und Datenanalyseteile dieses Labs in ihre anderen Klassen zu integrieren. Alternativ können Sie je nach verfügbarer Zeit so viele oder wenige dieser Themen während des Unterrichts ansprechen. Graphik: Welches ist der beste Diagrammtyp, um die Daten anzuzeigen? Schüler haben oft Schwierigkeiten, zwischen den verschiedenen Arten von Grafiken zu wählen. Zeigt der von Ihnen gewählte Maßstab eine wahrheitsgetreue Darstellung der Daten oder ist er irreführend? Statistiken: Ist ein Unterschied signifikant? Schüler denken oft, dass zwei beliebige Zahlen, die nicht identisch sind, einen wichtigen Unterschied darstellen. Sie sind sich nicht bewusst, dass Messungen mit Fehlern behaftet sind (z. B. menschliches Versagen, Unterschiede in der Bildvergrößerung, unzureichende Probenanzahl). Verhältnis und Proportion: Die manuelle Messung von Ausdrucken der Bilder führt zu Messungen, die nicht für die Vergrößerung korrigiert sind und die Ergebnisse bei kleinen Unterschieden beeinträchtigen. Der Maßstabsbalken in jedem Bild ermöglicht es den Schülern, einfache Proportionen zu verwenden, um die tatsächlichen Größen der Knochen zu berechnen, und bietet eine mathematische Verbindung. Tatsächlich gibt es leichte Unterschiede in der Vergrößerung jedes Bildes. Lassen Sie die Schüler den Maßstabsbalken in aufeinanderfolgenden Bildern messen, um dies selbst zu sehen. Fragen Sie, wie sie diesen Faktor korrigieren könnten. Computer verwenden: Das Speichern der in Image J gesammelten Daten in Excel ermöglicht es den Schülern, die Grafikfunktionen zu verwenden, um Grafiken zu erstellen und zu bearbeiten, um Unterschiede anzuzeigen. Die Verwendung der Funktionsleiste ermöglicht es den Schülern, Durchschnittswerte, Standardabweichungen usw. zu berechnen. Ähnliches kann mit der kostenlosen Tabelle auf Google Drive durchgeführt werden. RESSOURCEN

  1. Video von ausgewählten und gesteuerten Mäusen, die auf Rädern laufen
    http://www.youtube.com/watch?v=RuqhC7g_XP0
    http://biology.ucr.edu/people/faculty/Garland/Girard01.mov
  2. Reinking, L. 2007. Image J Grundlagen Biologie 211 Laborhandbuch.
    http://rsbweb.nih.gov/ij/docs/pdfs/ImageJ.pdf
  3. Informationen über Dr. Theodore Garland, Jr. Forschungslabor
    http://www.biology.ucr.edu/people/faculty/Garland.html
  4. Relevante Veröffentlichungen:
    Garland, T., Jr. und P.A. Freeman. 2005. Selektive Zucht für hohe Ausdauerläufe erhöht die Symmetrie der Hinterbeine. Evolution 59:1851-1854.
    http://www.biology.ucr.edu/people/faculty/Garland/GarlandFreeman2005.pdf
    Kelly, S. A., P. P. Czech, J. T. Wight, K. M. Blank und T. Garland, Jr. 2006. Experimental evolution and phänotypic plasticity of hinterlimb bones in high active house mice. Zeitschrift für Morphologie 267:360-374.
    http://www.biology.ucr.edu/people/faculty/Garland/KellyEA2006.pdf
    Middleton, K. M., S. A. Kelly und T. Garland, Jr. 2008. Selektive Zucht als Werkzeug zur Untersuchung der Skelettreaktion auf hohe freiwillige lokomotorische Aktivität bei Mäusen. Integrative und vergleichende Biologie 48:394-410.
    http://www.biology.ucr.edu/people/faculty/Garland/Middleton_et_al_2008_ICB.pdf
    Garland, T., Jr. und M.R. Rose, Hrsg. 2009. Experimentelle Evolution: Konzepte, Methoden und Anwendungen von Selektionsexperimenten. University of California Press, Berkeley, Kalifornien.
    Laden Sie hier das gesamte Buch als PDF herunter.
  5. Garland Öffentlicher Vortrag zum Thema "Born to Run: Evolution of Hyperactivity in Mice" 29. Oktober 2009 http://cnas.ucr.edu/sciencelectures/garlandlecture.html
  6. Liste aller Veröffentlichungen in den High Runner Mäuselinien
    http://biology.ucr.edu/people/faculty/Garland/Experimental_Evolution_Publications_by_Ted_Garland.html

STANDARDS MET
MIT DIESER LEKTION

NGSS: Wissenschaftsstandards der nächsten Generation (2013): (Zweiter Entwurf) In Entwicklung:
Natur der Wissenschaftsmatrix: „Wissenschaftliches Wissen basiert auf empirischer Evidenz“
Mittelschule: Natürliche Selektion und Anpassungen: MS-LS4-a, d: Analysieren und Interpretieren von Daten
Weiterführende Schule: Natürliche Selektion und Evolution
HS-LS4-f: Entwurf und Durchführung einer Untersuchung, um Muster in Daten zu finden, die die Beziehung zwischen Umweltveränderungen und natürlicher Selektion anzeigen.
Rahmen für den naturwissenschaftlichen Unterricht K-12 (2012) Nationaler Forschungs Rat:
LS4.B: Natürliche Selektion: Wie beeinflusst die genetische Variation zwischen Organismen das Überleben und die Fortpflanzung?
LS4.C: Anpassung: Wie beeinflusst die Umwelt Populationen von Organismen über mehrere Generationen hinweg?
http://www.nap.edu/openbook.php?record_id=13165&page=1

Kalifornische Standards für naturwissenschaftliche Bildung (2003):
7. Klasse LS: Evolution: 3a,b Struktur und Funktion in lebenden Systemen: 5c 7. Klasse Untersuchung und Experimentieren: 7a,c,d,e
HS Biologie/LS: Evolution 7a, 8a HS Untersuchung und Experiment: 1a, d, g
http://www.cde.ca.gov/be/st/ss/documents/sciencestnd.pdf

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht (1995)
VERBINDUNGSKONZEPT: Evolution und Gleichgewicht: Die allgemeine Idee, dass die Gegenwart aus Materialien und Formen der Vergangenheit entsteht.

WISSENSCHAFT ALS ANFRAGE: Fähigkeit zu wissenschaftlicher Forschung Verständnis für wissenschaftliche Forschung

WISSENSCHAFT UND TECHNOLOGIE: Fähigkeiten des technologischen Designs Verständnis von Wissenschaft und Technik

INHALT: Klassen 5-8
169: Life Science (Inhaltsstandard C)
Vielfalt und Anpassungen von Organismen
Biologische Evolution berücksichtigt die Vielfalt der Arten, die sich durch allmähliche Prozesse über viele Generationen hinweg entwickelt haben.
INHALT: Klassen 9-12
192: Life Science (Inhaltsstandard C)
Biologische Evolution (196)
Arten entwickeln sich im Laufe der Zeit. Evolution ist die Folge der Interaktionen von http://www.csun.edu/science/ref/curriculum/reforms/nses/nses-complete.pdf

ZUORDNUNG

Einige der Ideen in dieser Lektion wurden möglicherweise ohne unser Wissen aus früheren, nicht anerkannten Quellen übernommen. Wenn der Leser dies glaubt, teilen Sie uns dies bitte mit, und es werden entsprechende Korrekturen vorgenommen. Vielen Dank.


Einführung

Zweibeiniges Gehen und Laufen sind die normalen menschlichen Gangarten. Menschenaffen und eine Population japanischer Makaken gehen manchmal zweibeinig (Napier & Napier, 1967). Kängurus und einige Nagetiere hüpfen zweibeinig. Vögel auf dem Boden gehen, rennen oder hüpfen. Einige Eidechsen laufen zweibeinig, und Kakerlaken wurden gefilmt, wie sie bei ihrer höchsten Geschwindigkeit zweibeinig laufen (Full & Tu, 1991).

Beim zweibeinigen Gehen und Laufen bewegen sich die Füße abwechselnd, einen halben Zyklus phasenverschoben. Solche Gangarten werden im Allgemeinen als Gehen klassifiziert, wenn das Tastverhältnis (der Bruchteil der Zeit, in der jeder Fuß auf dem Boden steht) größer als 0,5 ist, und als Laufen, wenn er kleiner als 0,5 ist. Beim Hüpfen bewegen sich die Füße im Allgemeinen mehr oder weniger gleichzeitig. Springmaus und Krähen verwenden jedoch einen eigentümlichen phasenverschobenen Hüpfgang, bei dem die Phasendifferenz zwischen den Füßen weder null noch einen halben Zyklus beträgt (Hayes & Alexander, 1983). Gangarten wie diese werden manchmal als Springen bezeichnet (Minetti, 1998).

Im Rest dieser Arbeit betrachte ich nur Gehen und Laufen, die normalerweise von Menschen verwendeten Gangarten. Menschenaffen am Boden bewegen sich normalerweise vierbeinig. Sie machen nur gelegentlich Gebrauch von der Zweibeinigkeit, oft im Zusammenhang mit der Anzeige. Zweibeiniges Gehen ist der normale langsame Gang von Vögeln, und Laufen ist der schnelle terrestrische Gang von vielen von ihnen. Es scheint eine Tendenz zu geben, dass Vögel, die viel Zeit auf Bäumen verbringen, Hüpfen als ihren schnellen Gang verwenden und andere Vögel rennen. Eidechsen unterscheiden sich in der Verwendung der Zweibeinigkeit. Viele Arten sind ausschließlich vierbeinig. Einige wie Uma sind nur für einen kleinen Teil ihrer Schritte zweibeinig, aber andere wie Callisaurus sind häufig zweibeinig für viele aufeinanderfolgende Schritte (Irschick & Jayne, 1998, 1999a). Basiliskos ist bekannt für seine Fähigkeit, kurze Strecken über die Wasseroberfläche zweibeinig zu laufen (Glasheen & McMahon, 1996). Die Kakerlake Periplaneta läuft auf allen sechs Beinen bei niedriger Geschwindigkeit, aber bei hohen Geschwindigkeiten (1,0𠄱,5 ms 𢄡) macht er etwa die Hälfte seiner Läufe auf vier Beinen (Mittel- und Hinterbeine) und die Hälfte nur auf den Hinterbeinen (Voll & Di, 1991).


Material und Methoden

Zusammensetzung des Ausgangsdatensatzes

Die Längenmessungen der Hinterbeine wurden an einem anfänglichen Satz von 53 Theropodenproben vorgenommen (Tabelle 1). In Fällen, in denen für eine bestimmte Art mehrere gültige Exemplare verfügbar waren, wurde nur ein großes Exemplar ausgewählt, um den anfänglichen Datensatz auf ontogenetisch reife Individuen zu beschränken. Die Länge des Femurs und die Länge des Metatarsale III wurden von der proximalsten zur distalsten Ausdehnung beider Knochen gemessen. Die distalste Ausdehnung der Tibia konnte nicht bei allen Taxa identifiziert werden, da das distale Ende häufig durch Fusion mit Astragalus und Calcaneum verdeckt ist. Aus diesem Grund ist die „Tibialänge“ für alle Taxa tatsächlich ein Maß für die kombinierte proximodistale Länge der Tibia und des Astragalus/Calcaneums, wenn alle Knochen in enger Artikulation gehalten werden. Der Begriff „Unterschenkellänge“ bezieht sich hier auf die kombinierte proximodistale Länge von Tibia (plus Astragalus und Fersenbein) und Metatarsale III. Mehrere frühere Studien zu den Proportionen der Gliedmaßen haben ergeben, dass im Unterschenkel lediglich die proportionale Länge der Mittelfußknochen typischerweise auf eine kursorische Morphologie hinweist und dass die Länge der Tibia häufig irrelevant ist. Wir haben uns entschieden, beide Längen im Interesse der Inklusivität zu einem einzigen Maß zu kombinieren und weil die Tibialänge bei einigen Theropoden als allometrisch variabel erkannt wurde 16 .

Aus Gründen der Konsistenz wurden alle Messungen direkt von einem der beiden Autoren vorgenommen (nicht aus zuvor in der Literatur veröffentlichten Daten entnommen). Alle Messungen wurden direkt an den Fossilien oder bei gleichwertiger Beurteilung an Abgüssen vorgenommen (keine Messungen wurden indirekt anhand von Fotografien oder Abbildungen vorgenommen). Für große Proben wurden Standardbandmaße verwendet und für kleine Proben wurden digitale Messschieber verwendet.

Das Ziel dieser Studie ist es, nur die Gliedmaßenproportionen bei fleischfressenden Theropoden zu berücksichtigen, und mehrere große, aber vermutlich pflanzenfressende oder weitgehend pflanzenfressende Theropodengruppen wurden in der ursprünglichen Sammlung von Exemplaren insbesondere weggelassen (z. B. „Elaphrosaurier“, Ornithomimosaurier, Oviraptorosaurier und Therizinosaurier). Es gibt drei Hauptgründe dafür, mögliche pflanzenfressende Taxa nicht einzubeziehen. Erstens üben die ökologischen Unterschiede zwischen Fleischfressern und Pflanzenfressern zweifellos einen unterschiedlichen Druck auf die lokomotorische Evolution aus. Die kursorielle Morphologie bei großen Pflanzenfressern bezieht sich häufig mehr auf die Ausdauer und die Fähigkeit, kontinuierlich in ausgedehnten Revieren nach Nahrung zu suchen. Zweitens haben viele pflanzenfressende Theropoden einzigartige Fuß- und Gliedmaßenmorphologien. Zum Beispiel haben fortgeschrittene Therizinosaurier vier tragende Zehen 27 , fortgeschrittene Ornithomimosaurier haben keinen Hallux 28 und einige Ornithomimosaurier haben breite, kurze Huftiere 29 . Der Schlüssel zu dieser Studie ist die insgesamt konservative Morphologie der meisten fleischfressenden Theropodengliedmaßen und die Beschränkung der betrachteten Taxa auf Fleischfresser entfernt daher eine wesentliche Quelle potenzieller Variationen aus dem Datensatz. Schließlich wurde argumentiert, dass die Gliedmaßenanteile pflanzenfressender Theropoden eine unterschiedliche (nahezu isometrische) Ontogenese haben 30 und dieser Unterschied würde die spätere Betrachtung der ontogenetischen Variation durcheinander bringen.

Berechnung des Cursorial-Gliedmaßen-Anteils (CLP)

Die Beurteilung der Unterschenkelproportionen im Kontext der Körpermasse erfordert ein messbares osteologisches Korrelat der Körpermasse. Als Korrelat wird hier die Femurlänge verwendet. Die Femurgröße hat sich in mehreren Studien sowohl an modernen Tieren als auch an Dinosauriern als vernünftiger Indikator für die Körpermasse erwiesen 16,31,32 . Obwohl andere Femurabmessungen (z Exemplare. Im Vergleich dazu sind Umfang und Durchmesser des Theropoden-Femurs oft nicht zuverlässig zu messen, da Theropoden-Femuren relativ dünnwandig und ausgehöhlt sind und daher beim Versteinern und Vergraben dazu neigen, intern zu kollabieren. Wie von Campione und Evans 33 angemerkt, folgt die Femurlänge/Masseskalierung bei modernen Tieren einem ungefähr isometrischen Muster, und mehrere Studien haben gezeigt, dass die Femurlänge zu den am wenigsten variablen Hinterbeinabmessungen gehört 12,16,34,35,36. Die Femurlänge liefert daher einen allgemein zuverlässigen Indikator für die Körpermasse, insbesondere im Vergleich zwischen Mitgliedern derselben taxonomischen Gruppe mit denselben allgemeinen Gliedmaßenformen, und die Morphologie der Hintergliedmaßen von Nicht-Vogel-Theropoden ist seit langem als sehr konservativ anerkannt 20 . Darüber hinaus sollte daran erinnert werden, wie Carrano 37 in seiner bahnbrechenden Arbeit über die Evolution der Dinosauriergröße hervorhob, dass die Oberschenkellänge als gültiger Proxy für die Körpermasse dient, da die Oberschenkellänge eine etablierte lineare Beziehung zur Körpermasse hat und die relative Größen von Dinosauriern, die auf der gleichen Skala verglichen werden sollen (das ist alles, was in dieser Studie benötigt wird).

Der anfängliche Theropoden-Datensatz wurde verwendet, um ein bivariates Diagramm 38 zu erstellen, mit der Länge des Femurs und der Länge des Unterschenkels auf beiden Achsen. Anschließend wurde eine einfache Best-Fit-Power-Kurve auf das Diagramm angewendet (Abb. 2).Alle Analysen wurden mit Microsoft Excel 2013 durchgeführt. Diese Leistungskurve (die durch Gleichung 1 erzeugt wird: l = 4.178F 0.8371 , wobei l ist unterschenkellang und F ist die Femurlänge), wird hier als die normale Beziehung zwischen der Körpermasse (angenähert durch die Femurlänge) und der Unterschenkellänge interpretiert, wie sie durch den gesamten Datensatz ermittelt wird. Daher bietet Gleichung 1 eine Möglichkeit, die Unterschenkellänge einer bestimmten Spezies basierend auf ihrer Femurlänge vorherzusagen, und Vergleiche zwischen einer vorhergesagten Unterschenkellänge und ihrer wahren Unterschenkellänge bieten eine Möglichkeit, die relative Anomalie von . quantitativ zu bewerten die Unterschenkellänge dieser Art, unabhängig von der Allometrie. Der prozentuale Unterschied, um den sich die wahre Unterschenkellänge einer bestimmten Art von der nach Gleichung 1 für diese Art vorhergesagten Unterschenkellänge unterscheidet, wird hier als „cursorial-limb-proportion“ (CLP)-Score dieser Art angegeben. Dieser Ansatz zur Ableitung einer vergleichenden Bewertung, wie sich ein bestimmtes Taxon von einer Vorhersage auf der Grundlage der absoluten Größe dieses Taxons unterscheidet, und die Analyse einer größenabhängigen Beziehung, die in einer großen Stichprobe von Taxa beobachtet wird, wird häufig bei der Bewertung allometrisch beeinflusster Merkmale verwendet, mit Das vielleicht bekannteste Beispiel ist die Ableitung des Enzephalisationsquotienten (EQ) als Methode zur Schätzung der Intelligenz von Tieren aus der relativen Gehirngröße 39 .

Beispiel

Um besser zu erklären, wie die CLP-Scores in dieser Studie abgeleitet wurden, kann es hilfreich sein, kurz ein Beispiel zu betrachten. Der Ceratosaurier-Theropode Deltadromeus agilis erhielt seinen Namen, was soviel wie „agiler Deltaläufer“ bedeutet, weil Sereno et al. 40 interpretierte seine langgestreckten Hinterbeine als hochgradig an die Cursorialität angepasst. Um die Gliedmaßenproportionen von . zu bewerten D. agilis Mit den Methoden dieser Studie wird die Femurlänge (741 mm) in die Gleichung für die vorhergesagte Unterschenkellänge (Gleichung 1) eingegeben und ergibt eine vorhergesagte Länge von 1055 mm. In Wirklichkeit, D. agilis hat eine Unterschenkellänge von 1134 mm. Also die wahre Unterschenkellänge von D. agilis weicht von der prognostizierten Unterschenkellänge um 79 mm ab. Somit ist die Schlussfolgerung von Sereno et al. 40 wird hier unterstützt, da D. agilis hat einen Unterschenkel, der 7,5% länger ist, als es für einen Theropoden seiner Größe „normal“ wäre (basierend auf der Beziehung, die in den anfänglichen 53 Taxa-Datensätzen zu sehen ist) und erhält einen CLP-Wert von +7,5. Hinweis: wenn D. agilis seinem Namen nicht gerecht wurde und eine ungewöhnlich kurze Unterschenkellänge (unter der vorhergesagten Länge) festgestellt wurde, wurde sein CLP-Wert als negativer Wert gemeldet.

Untersuchung der Konsistenz von Taxa mit mehreren Exemplaren

Da die Berechnung des CLP-Scores für eine bestimmte Spezies eine Messung der Femur-, Tibia- und Metatarsale-III-Länge erfordert, können CLP-Scores nur von Proben mit relativ vollständigen Hinterbeinen berechnet werden. Dies begrenzt die Anzahl der Taxa, die zum Ausgangsdatensatz beitragen können. Dies bedeutet auch, dass es für die allermeisten Arten nur möglich ist, die Berechnung des CLP-Scores auf Messungen an einer einzelnen Probe zu stützen. Aus Konsistenzgründen werden alle Arten im Ausgangsdatensatz nur durch einzelne Exemplare repräsentiert (in Fällen, in denen mehr als ein potenzielles Exemplar verfügbar war, wurde im Allgemeinen das größte oder das am besten erhaltene Exemplar ausgewählt). Dies vermittelt eine potenzielle Fehlerquelle. Erstens berücksichtigt der anfängliche Datensatz nicht das Ausmaß der individuellen Variation, die innerhalb einer Art vorhanden sein kann. Zweitens und möglicherweise schwerwiegender können einige Arten durch Exemplare repräsentiert werden, die ontogenetisch unreif sind.

Die wenigen Theropodenarten, von denen mehrere Exemplare mit ausreichend vollständigen Hinterbeinen bekannt sind, bieten die Möglichkeit, sowohl den Grad der individuellen Variation des CLP-Scores als auch die Wirkung der Ontogenese zu untersuchen. Gliedmaßenmessungen wurden von mehreren Exemplaren von sechs Theropodenarten (Albertosaurus-Sarkophag n = 4, Allosaurus fragilis n = 8, Coelophysis bauri n = 10, Gorgosaurus libratus n = 6, Herrerasaurus ischigualestensis n = 7 und Tyrannosaurus rex n = 4) (Tabelle 2).


Diskussion

Das lange Fußgewölbe des menschlichen Fußes ist hoch entwickelt, um sowohl der elastischen Energieaufnahme zu entsprechen als auch einen steifen Fuß zu bieten, der gegen den Boden drückt. Beides sind wichtige Anpassungen für den obligaten zweibeinigen Gang. Unsere Daten zeigen, dass die elastische Energieaufnahme des LA nur minimal durch die Kontraktion der plantaren intrinsischen Fußmuskulatur unterstützt wird. Ohne aktive Kontraktion dieser Muskeln wird jedoch die Versteifung des Vorfußes beim Abstoßen gegen den Boden beeinträchtigt und unsere Fähigkeit zur Erzeugung von Vortriebskraft beeinträchtigt. Diese Ergebnisse modifizieren unser derzeitiges Verständnis der funktionellen Bedeutung der PIMs und der menschlichen Fußmechanik beim zweibeinigen Gang erheblich.

Die einzigartige Struktur des LA ermöglicht es dem Fuß, sich unter Belastung zu verformen, die Plantaraponeurose und die PIMs, die seine Länge überspannen, zu dehnen und Energie in diesen Geweben zu speichern. Der Bogen wird beim Widerstand gegen diese Verformung durch elastisches Spannen der Plantaraponeurose unterstützt (8) und sollte durch die aktive Kontraktion der PIMs eine signifikante zusätzliche Unterstützung erhalten (13). Erste Ergebnisse aus Experiment 1 zeigten, dass die Eliminierung der Kontraktion der PIMs die Fähigkeit der LA, einer aufgebrachten Belastung zu widerstehen, hemmte, wodurch die Änderung des Cal-Met-Winkels um 1° reduziert wurde (Abb. 2C). Die kleinen Verformungen der LA in Experiment 1 (2–3° Änderung des Cal-Met-Winkels Abb. 2C) hob hervor, dass die vom LA getragene Last weitaus geringer war als beim Gehen und Laufen, wo sich der Cal-Met-Winkel um ∼20° änderte (Experiment 2). Beim Gehen und Laufen beobachteten wir keinen Einfluss der Nervenblockade auf die Verformung des LA, seinen Spitzenwert, das Spitzenmittelfußmoment oder die Mittelfußsteifigkeit (Abb. 3 .). B, D, und F). Daher glauben wir, dass der Beitrag der PIMs zur LA-Unterstützung während des Gehens während der Gewichtsakzeptanz minimal ist. Diese Schlussfolgerung steht im Widerspruch zu den früheren Schlussfolgerungen unserer Gruppe, die auf elektromyographischen Aktivitätsaufzeichnungen der PIMs basieren. Dies lässt sich jedoch unter Berücksichtigung des Kraftpotentials der PIMs in Einklang bringen. Aus den Leichendaten (18) ergibt sich eine kombinierte physiologische Querschnittsfläche von FDB, quadratus plantae und abductor hallucis von 15 cm 2 . Multipliziert mit einer spezifischen Spannung von 25 N·cm 2 (19 ⇓ –21) beträgt die kombinierte maximale isometrische Kraft für die Haupt-PIMs 375 N. Unter der Annahme eines großzügigen Momentarms dieser Muskeln um den Mittelfuß (Kahnbein) von 4 cm Das maximale Moment, das die PIMs im Mittelfußbereich erzeugen können, beträgt 15 N·m. Dies sind ∼10 % des maximalen Mittelfußmoments beim Laufen (Abb. 3 .).F) und unterstützt die Vorstellung, dass diese Muskeln nur minimal dazu beitragen können, der LA-Deformation während der mittleren Gangphase zu widerstehen, wenn die LA der größten Belastung ausgesetzt ist.

Dass diese Muskeln die LA nicht signifikant unterstützen, widersprach unserer Hypothese. Es deutet darauf hin, dass sich die stützenden Weichteile der LA neben den knöchernen Strukturen entwickelt haben, um den Großteil der äußeren Belastung bei passiven Elementen wie der Plantaraponeurose zu tragen, wie von Ker et al. (8). Die Plantaraponeurose (und andere Pedalbänder) können Energie elastisch speichern und zurückgeben, ohne metabolische Energie direkt zu verbrauchen, und sind weniger massiv als ein Muskel, der ähnliche Kräfte erzeugt. Somit könnte das Vertrauen auf passives Gewebe zum Tragen von Lasten dazu beitragen, die energetisch kostspielige Masse der distalen Gliedmaßen zu minimieren. Retrospektive Studien haben gezeigt, dass Personen, die gewohnheitsmäßig nur minimales Schuhwerk tragen, eine geringere Inzidenz von Pes planus (Plattfüßen) (22), steifere LAs (16) und größere PIMs (16) aufweisen. Aus solchen Beweisen könnte abgeleitet werden, dass größere, stärkere PIMs mechanistisch mit der Belastung der Füße im Alltag verbunden sind und dass ihre Arbeit im frühen Leben vor der Entwicklung des Pes planus-Zustands schützen könnte. Obwohl wir nicht wissen, ob die relativen Beiträge zur LA-Unterstützung bei Kindern ähnlich sind oder nicht, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die elastischen Eigenschaften der Plantaraponeurose (Steifigkeit oder Ruhelänge) einen größeren Einfluss auf die Entwicklung einer höheren, steiferen LA . haben .

Obwohl die PIMs nicht viel zur LA-Unterstützung in der Midstance beitragen, haben unsere Ergebnisse gezeigt, dass die PIMs für die Versteifung des Vorfußes während der späten Standphase wichtig sind, wenn der Fuß als starrer Hebel für den Abstoß verwendet wird, eine Theorie, die erstmals von . behauptet wurde Mann und Inman (10). Wir haben gezeigt, dass das Weglassen der Fähigkeit, die PIMs zu aktivieren, die positive mechanische Arbeit, die an Fuß und Knöchel während des Abstoßes geleistet wird, aufgrund eines früheren Rückgangs der Leistungsabgabe im späten Stand reduziert (Abb. 4). Außerdem wurde der Vortriebsimpuls, den die Teilnehmer im Mittelfußbereich und am Boden erzeugen konnten, durch die Nervenblockade reduziert. Dies alles geschah gleichzeitig mit einer verringerten Fähigkeit, Momente zu erzeugen, um das MTP-Gelenk zu versteifen (Abb. 3 A, C, und E).

Die Reduzierung der Momente um das MTP-Gelenk mit der Nervenblockade stimmt mit unseren Einschätzungen über den Beitrag der PIMs überein. Wir schätzten den Momentarm von PIMs um das MTP-Gelenk auf 1,5 cm (23) und berechneten einen potentiellen Momentenbeitrag von 6 N·m um das MTP-Gelenk (unter Verwendung der gleichen Muskelparameter wie zuvor). Obwohl dies ein kleiner Moment ist, entspricht dies ungefähr der Hälfte des maximalen MTP-Gelenkmoments beim Gehen und 20 % des Peaks beim Laufen (Abb. 3 .). A, C, und E). Es ist auch in der Größenordnung mit dem Abfall des MTP-Moments vergleichbar, der bei der Nervenblockade beobachtet wurde (Abb. 3 .). A, C, und E) und es ist vernünftig festzuhalten, dass die PIMs einen erheblichen Einfluss auf die MTP-Gelenkmechanik haben. Die Aktivierung der PIMs im späten Stand ist erforderlich, um eine ausreichende Impedanz um das MTP-Gelenk für einen effektiven Abstoß durch Vortriebsimpulse und Knöchelgelenkarbeit zu erzeugen. So wird die Rolle des Fußes als starrer Hebel in der Late Stance durch aktive muskuläre Beiträge unterstützt. Zuvor wurde die Steifigkeit des Fußes im späten Stand zu einem großen Teil dem Ankerwindenmechanismus zugeschrieben, der zuerst von Hicks beobachtet wurde (9) und seither beim Gehen durch Dorsalflexion der Zehen im späten Stand auftritt, wodurch die Plantaraponeurose gespannt und versteift wird der Fuß. Unsere Daten legen nahe, dass dieser Mechanismus allein nicht ausreicht und einen aktiven Kraftbeitrag der PIMs erfordert. Der Beitrag der PIMs unterscheidet sich grundlegend vom Mechanismus der Ankerwinde, da PIMs, die die LA- und MTP-Gelenke überspannen (z. Dies liegt daran, dass die Wirkung der Verkürzung der LA die Wirkung der Zehendorsalflexion auf die PIM-Länge übersteigt. Daher werden die PIMs nicht durch Aufwickeln der Zehen gespannt, sondern erzeugen aktiv isometrisch oder beim Verkürzen Spannung, um das MTP-Gelenk zu versteifen.

Die Tatsache, dass die MTP-Gelenksteifigkeit aktiv reguliert wird, ist aus evolutionärer Sicht von großem Interesse und kann Auswirkungen auf das Prothesendesign haben. Die MTP-Gelenke der ersten beiden Strahlen des Fußes erlauben eine Rotation um eine Querachse (senkrecht zur Bewegungsrichtung), die Achse der seitlichen drei MTP-Gelenke ist jedoch schräger ausgerichtet (24). Die Drehung des Fußes um die Querachse wird als Schlüssel für ein kraftvolles Abstoßen angesehen, da angenommen wird, dass sie den Ankerwindenmechanismus (7) effektiver in Eingriff bringt. Interessanterweise könnte die Versteifung des ersten MTP-Gelenks mit der Kraftproduktion durch den Abductor hallucis, den größten der PIMs, in Verbindung gebracht werden (18). Dieser Muskel ist auch einer, der bei gewohnheitsmäßig minimal beschlagenen Personen größer ist (16). Vielleicht hat der einzigartige adduzierte Hallux des Menschen den Einsatz des größten intrinsischen Fußmuskels bei der Versteifung des Vorfußes für ein effektives Abstoßen in Synergie mit dem Ankerwindenmechanismus und LA erleichtert. Aus einer anderen Perspektive stützen unsere Ergebnisse die Annahme, dass eine aktive Regulierung einer MTP-Gelenksteifigkeit in bioinspirierten Fußprothetiken notwendig sein kann. Ein kürzlich durchgeführtes Experiment zur Anpassung einer Fußprothese hat gezeigt, dass die Arbeit am Körperschwerpunkt beim Abstoßen sehr empfindlich auf die Steifigkeit des MTP-Gelenks der Prothese reagiert (25). Dieser Befund unterstützt auch unsere Ergebnisse bezüglich der Kaskade mechanischer Veränderungen, die durch den gestörten Abstoß mit der Nervenblockade ausgelöst wurden.

Die Bedeutung der Generierung von Propulsionsimpulsen und der Sprunggelenksarbeit für das Abstoßen im späten Stand ist gut belegt (17, 26), wobei dem Fuß eine entscheidende Rolle zukommt (27 ⇓ ⇓ –30). Ohne effektives Abstoßen beim Gehen geht beim Übergang zwischen den Schritten Energie verloren, die durch erhöhte Hüftmuskelarbeit ausgeglichen werden muss (17). In Übereinstimmung damit führte die gestörte Abstoßung im Zustand der Nervenblockade zu einer kompensatorischen Steigerung der Hüftgelenks-Positivarbeit in der späten Stand- und frühen Schwungphase des Gehens und Laufens (Abb. 5 und ). SI-Anhang, Abb. S1), zusammen mit einer erhöhten Schrittfrequenz. Alle hier diskutierten Änderungen der Gangmechanik würden den metabolischen CoT voraussichtlich erhöhen (26, 31 ⇓ ⇓ ⇓ –35), aber wir beobachteten keine Veränderung des metabolischen CoT beim Gehen oder Laufen. Eine Erklärung dafür könnte sein, dass die durch die Nervenblockade induzierte Verschiebung der Schrittfrequenz nicht ausreichte, um den CoT signifikant zu erhöhen. Die Beziehung zwischen CoT und Schrittfrequenz ist U-förmig, wobei die bevorzugte Schrittfrequenz nahe dem metabolischen CoT-Minimum liegt (26, 31 ⇓ –33). Der Bereich um das Minimum hat eine flache Krümmung, und man müsste die Schrittgeschwindigkeit eines Individuums erheblich stören, um einen messbaren Anstieg des metabolischen CoT zu erzielen. Die Nervenblockade führte zu einer mäßigen Erhöhung der Schrittfrequenz um 5–6%, und ein Vergleich mit bestehenden Daten (33, 36) deutet darauf hin, dass eine Erhöhung der Schrittfrequenz um 5–6% über den bevorzugten Wert den metabolischen CoT nicht merklich erhöhen würde. Obwohl das Entfernen der PIMs-Aktivierung die Abstoßmechanik signifikant beeinflusste, erhöhte dies die energetischen Kosten der Fortbewegung jedoch nicht messbar.

Es sollte beachtet werden, dass die Nervenblockade auch die sensorische Rückmeldung von der Fußsohle beeinflusst, was zu einer veränderten Empfindung beim Gehen und Laufen führt. Obwohl dies aus den vorliegenden Daten nicht ersichtlich ist, haben Studien, die die Auswirkungen einer beeinträchtigten kutanen plantaren Rückmeldung von denen einer motorischen Blockade trennten, keinen Einfluss einer beeinträchtigten kutanen Rückmeldung auf die Gangmechanik (37, 38) oder das Gleichgewicht im Stehen (39) gezeigt. Daher halten wir es für unwahrscheinlich, dass die Ergebnisse der vorliegenden Studie mit verändertem sensorischem Feedback zusammenhängen. Es ist denkbar, dass ein fehlender aktiver Kraftbeitrag der PIMs zur LA-Unterstützung durch eine verstärkte Aktivierung der extrinsischen Fußmuskulatur oder durch eine passive Anspannung, die durch die Verlängerung der PIMs entsteht, ausgeglichen worden sein könnte. Die PIMs, die die LA unterstützen, sind meist kurzfaserige gefiederte Muskeln. Ein Vorteil einer gefiederten Struktur besteht darin, dass die Rotation der Fasern die Längenänderung des gesamten Muskels aufnehmen kann, anstatt sich selbst zu verlängern (40). Darüber hinaus müssten die Fasern auch weit über ihre Ruhelänge hinaus gedehnt werden, um eine signifikante passive Spannung zu erzeugen, die mit ihrem normalen aktiven Beitrag konkurrieren könnte. Daher halten wir eine Kompensation durch passive Anspannung für unwahrscheinlich. Es ist auch denkbar, dass extrinsische Fußmuskeln (z. B. Tibialis posterior, Tibialis anterior und die Peroneals) die LA etwas unterstützen und möglicherweise die intrinsischen Muskeln bei der Nervenblockade kompensiert haben. Der anatomische Verlauf der Sehnen der extrinsischen Fußmuskulatur eignet sich jedoch eher für die Unterstützung in der Frontalebene des Fußes. Darüber hinaus behindern ihre kleinen Momentarme um die LA ihr Potenzial, unterstützende Momente zu erzeugen. Es ist daher fraglich, ob die extrinsische Fußmuskulatur dies kompensieren könnte, dies bedarf jedoch weiterer Untersuchungen. Die Studie hätte durch die Aufnahme einer schnelleren Laufgeschwindigkeitsbedingung verbessert werden können. Bei höheren Geschwindigkeiten sind die PIMs aktiver für die Bogenunterstützung (13), und daher könnte eine größere Wirkung des Blocks beobachtet worden sein. Aufgrund einer begrenzten Dauer der Nervenblockade und anfänglicher Bedenken, dass die Teilnehmer eine schnellere Laufgeschwindigkeit nicht sicher absolvieren würden, konnten wir jedoch keine schnellere Laufbedingung hinzufügen. Unsere Berechnungen des maximalen Kraftbeitrags legen jedoch nahe, dass höhere Laufgeschwindigkeiten wahrscheinlich keinen signifikanten Unterschied machen.

Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass die PIMs aktiv zur Versteifung des MTP-Gelenks im späten Stand beim Gehen und Laufen beitragen, um den propulsiven Abstoß zu unterstützen, und dass der Ankerwindenmechanismus diese Funktion ohne sie nicht unterstützen kann. Die gleichen Muskeln tragen jedoch nicht wesentlich zur Unterstützung des langen Fußgewölbes während der Gewichtsannahmephase des Gangs bei, und diese Funktion muss größtenteils elastischen Strukturen wie der Plantaraponeurose und den Bändern innerhalb des Fußgewölbes zugeschrieben werden. Der menschliche Fuß entwickelte sich über mehrere Jahrtausende zu einem steifen langen Fußgewölbe, einem adduzierten Hallux und kurzen Zehen, die unseren zweibeinigen Gang erheblich unterstützen, indem sie einen steifen Hebel bilden. Die plantare intrinsische Fußmuskulatur unterstützt diese Funktion aktiv.


Elektronisches Zusatzmaterial ist online unter https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4954211 verfügbar.

Herausgegeben von der Royal Society. Alle Rechte vorbehalten.

Verweise

. 2006 Kinematische Variabilität und lokale dynamische Stabilität der Oberkörperbewegungen beim Gehen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. J. Biomech. 39, 444-452. (doi:10.1016/j.jbiomech.2004.12.014) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2011 Kinematische Variabilität, fraktale Dynamik und lokale dynamische Stabilität beim Laufen auf dem Laufband . J. Neuroeng. Reha. 8, 12. (doi:10.1186/1743-0003-8-12) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Menz HB, Lord SR, Fitzpatrick RC

. 2003 Beschleunigungsmuster von Kopf und Becken beim Gehen auf ebenem und unregelmäßigem Untergrund. Ganghaltung 18, 35-46. (doi:10.1016/S0966-6362(02)00159-5) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Bruijn SM, Meijer OG, Beek PJ, van Dieen JH

. 2013 Bewertung der Stabilität der menschlichen Fortbewegung: ein Rückblick auf aktuelle Maßnahmen . J. R. Soc. Schnittstelle. 10, 20120999. (doi:10.1098/rsif.2012.0999) Link, ISI, Google Scholar

Hausdorff JM, Rios DA, Edelberg HK

. 2001 Gangvariabilität und Sturzrisiko bei in Gemeinschaft lebenden älteren Erwachsenen: eine einjährige prospektive Studie. Bogen. Phys. Med. Reha. 82, 1050-1056. (doi:10.1053/apmr.2001.24893) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Doi T, Hirata S, Ono R, Tsutsumimoto K, Misu S, Ando H

. 2013 Das harmonische Verhältnis der Rumpfbeschleunigung sagt das Fallen älterer Menschen voraus: Ergebnisse einer einjährigen prospektiven Studie. J. Neuroeng. Reha. 10, 7. (doi:10.1186/1743-0003-10-7) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Hak L, Houdijk H, Beek PJ, van Dieen JH

. 2013 Schritte zur Verbesserung der Gangstabilität: der Einfluss von Schrittfrequenz, Schrittlänge und Gehgeschwindigkeit auf die lokale dynamische Stabilität und Stabilitätsgrenzen . Plus eins 8, e82842. (doi:10.1371/journal.pone.0082842) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Hof AL, Gazendam MG, Sinke WE

. 2005 Die Voraussetzung für dynamische Stabilität. J. Biomech. 38, 1-8. (doi:10.1016/j.jbiomech.2004.03.025) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Hof AL, van Bockel RM, Schoppen T, Postema K

. 2007 Kontrolle des seitlichen Gleichgewichts beim Gehen. Experimentelle Befunde bei gesunden Probanden und Oberschenkelamputierten . Ganghaltung 25, 250-258. (doi:10.1016/j.gaitpost.2006.04.013) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2008 Das Konzept des „extrapolierten Schwerpunkts“ schlägt eine einfache Kontrolle des Gleichgewichts beim Gehen vor. Summen. Umzug Wissenschaft 27, 112-125. (doi:10.1016/j.humov.2007.08.003) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Afiah IN, Nakashima H, Loh PY, Muraki S

. 2016, Eine explorative Untersuchung der Veränderungen der Gangparameter mit dem Alter bei älteren japanischen Frauen. Springerplus 5, 1069. (doi:10.1186/s40064-016-2739-7) Crossref, PubMed, Google Scholar

Hollman JH, McDade EM, Petersen RC

. 2011 Normative raumzeitliche Gangparameter bei älteren Erwachsenen . Ganghaltung 34, 111-118. (doi:10.1016/j.gaitpost.2011.03.024) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 1997 Gangveränderungen bei älteren Erwachsenen: Prädiktoren für Stürze oder Indikatoren für Angst . Marmelade. Geriatr. Soz. 45, 313-320. (doi:10.1111/j.1532-5415.1997.tb00946.x) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Verghese J, Wang C, Lipton RB, Holtzer R, Xue X

. 2007 Quantitative Gangstörung und Risiko von kognitivem Verfall und Demenz. J. Neurol. Neurochirurg. Psychiatrie. 78, 929-935. (doi:10.1136/jnnp.2006.106914) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

2011, Ganggeschwindigkeit und Überleben bei älteren Erwachsenen. JAMA 305, 50-58. (doi:10.1001/jama.2010.1923) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Callisaya ML, Blizzard L, Schmidt MD, McGinley JL, Srikanth VK

. 2010 Altern und Gangvariabilität – eine bevölkerungsbezogene Studie älterer Menschen . Altern 39, 191-197. (doi:10.1093/ageing/afp250) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2003 Für ein besseres Verständnis von Gangveränderungen mit Alter und Behinderung: neuromuskuläre Anpassung . Übung Sportwissenschaft. Rev. 31, 102-108. (doi:10.1097/00003677-200304000-00009) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2007 Gangdynamik, Fraktale und Stürze: Bedeutungsfindung in den Schritt-zu-Schritt-Fluktuationen des menschlichen Gehens . Summen. Umzug Wissenschaft 26, 555-589. (doi:10.1016/j.humov.2007.05.003) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Brach JS, Studenski S, Perera S, VanSwearingen JM, Newman AB

. 2008 Standzeit- und Schrittweitenvariabilität haben bei älteren Menschen einzigartige Beeinträchtigungen. Ganghaltung 27, 431-439. (doi:10.1016/j.gaitpost.2007.05.016) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Verghese J, LeValley A, Hall CB, Katz MJ, Ambrose AF, Lipton RB

. 2006 Epidemiologie von Gangstörungen bei in der Gemeinde wohnenden älteren Erwachsenen . Marmelade. Geriatr. Soz. 54, 255-261. (doi:10.1111/j.1532-5415.2005.00580.x) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Rubenstein LZ, Josephson KR

. 2002 Die Epidemiologie von Stürzen und Synkopen. Klin. Geriatr. Med. 18, 141-158. (doi:10.1016/S0749-0690(02)00002-2) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Pavol MJ, Owings TM, Foley KT, Grabiner MD

. 1999 Gangmerkmale als Risikofaktoren für Stürze von Reisen bei älteren Erwachsenen. J. Gerontol. Ein Biol. Wissenschaft Med. Wissenschaft 54, M583-M590. (doi:10.1093/gerona/54.11.M583) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2001 Klassifikation der Gang- und Gleichgewichtsstörungen. Erw. Neurol. 87, 135-141. PubMed, Google Scholar

Herssens N, Verbecque E, Hallemans A, Vereeck L, Van Rompaey V, Saeys W

. 2018 , Unterscheiden sich raumzeitliche Parameter und Gangvariabilität über die Lebensspanne gesunder Erwachsener? Eine systematische Übersicht. Ganghaltung 64, 181-190. (doi:10.1016/j.gaitpost.2018.06.012) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Hak L, Houdijk H, Steenbrink F, Mert A, van der Wurff P, Beek PJ, van Dieen JH

. 2013 Schrittstrategien zur Regulierung der Ganganpassungsfähigkeit und -stabilität . J. Biomech. 46, 905-911. (doi:10.1016/j.jbiomech.2012.12.017) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Hak L, Houdijk H, Steenbrink F, Mert A, van der Wurff P, Beek PJ, van Dieen JH

. 2012 Beschleunigen oder verlangsamen? Ganganpassungen zur Erhaltung der Gangstabilität als Reaktion auf Gleichgewichtsstörungen. Ganghaltung 36, 260-264. (doi:10.1016/j.gaitpost.2012.03.005) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Sivakumaran S, Schinkel-Ivy A, Masani K, Mansfield A

. 2018 Zusammenhang zwischen Stabilitätsmarge und Abweichungen der raumzeitlichen Gangmerkmale bei gesunden jungen Erwachsenen . Summen. Umzug Wissenschaft 57, 366-373. (doi:10.1016/j.humov.2017.09.014) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Lencioni T, Carpinella I, Rabuffetti M, Cattaneo D, Ferrarin M

. 2020 Messungen des dynamischen Gleichgewichts während des Gehens in der Ebene bei gesunden Erwachsenen: Zusammenhang mit Alter, Anthropometrie und raum-zeitlichen Gangparametern . Proz. Inst. Mech. Eng. h 234, 131-140. (doi:10.1177/0954411919889237) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Mortaza N, Abu Osman NA, Mehdikhani N

. 2014 Sind die räumlich-zeitlichen Parameter des Gangs in der Lage, einen Gefallenen von einem Nicht-Gefallenen zu unterscheiden? EUR. J.Phys. Reha. Med. 50, 677-691. PubMed, ISI, Google Scholar

Lord S, Galna B, Verghese J, Coleman S, Burn D, Rochester L

. 2013 Unabhängige Gangbereiche bei älteren Erwachsenen und assoziierte motorische und nichtmotorische Attribute: Validierung eines faktorenanalytischen Ansatzes . J. Gerontol. Ein Biol. Wissenschaft Med. Wissenschaft 68, 820-827. (doi:10.1093/gerona/gls255) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Lord S, Howe T, Grönland J, Simpson L, Rochester L

. 2011 Gangvariabilität bei älteren Erwachsenen: eine strukturierte Überprüfung des Testprotokolls und der klinimetrischen Eigenschaften . Ganghaltung 34, 443-450. (doi:10.1016/j.gaitpost.2011.07.010) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

2018 Weniger ist mehr – Schätzung der Anzahl der Schritte, die erforderlich sind, um die Gangvariabilität in räumlich begrenzten Umgebungen zu beurteilen. Vorderseite. Altern. Neurosci. 10, 435. (doi:10.3389/fnagi.2018.00435) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Gouelle A, Megrot F, Presedo A, Husson I, Yelnik A, Pennecot GF

. 2013 Der Gangvariabilitätsindex: ein neuer Weg zur Quantifizierung der Schwankungsgröße raumzeitlicher Parameter während des Gangs . Ganghaltung 38, 461-465. (doi:10.1016/j.gaitpost.2013.01.013) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Kirkwood RN, Gomes HA, Sampaio RF, Furtado SR, Moreira BS

. 2016 Raumzeitliche und Variabilitäts-Gangdaten bei in Gemeinschaft lebenden älteren Frauen aus Brasilien. Braz. J.Phys. Da. 20, 258-266. (doi:10.1590/bjpt-rbf.2014.0157) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2000 Aktive Kontrolle des seitlichen Gleichgewichts beim menschlichen Gehen. J. Biomech. 33, 1433-1440. (doi:10.1016/S0021-9290(00)00101-9) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Arvin M, van Dieen JH, Bruijn SM

. 2016 Auswirkungen eingeschränkter Rumpfbewegungen auf die Gangkinematik in der Frontalebene . J. Biomech. 49, 3085-3089. (doi:10.1016/j.jbiomech.2016.07.015) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2018 Kontrolle der Gangstabilität des Menschen durch Fußplatzierung . J. R. Soc. Schnittstelle 15, 20170816. (doi:10.1098/rsif.2017.0816) Link, ISI, Google Scholar

Arvin M, Mazaheri M, Hoozemans MJM, Pijnappels M, Burger BJ, Verschueren SMP, van Dieen JH

. 2016 Auswirkungen des schmalen Grundgangs auf die mediolaterale Gleichgewichtskontrolle bei jungen und älteren Erwachsenen . J. Biomech. 49, 1264-1267. (doi:10.1016/j.jbiomech.2016.03.011) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2001 Mechanische und metabolische Determinanten der bevorzugten Schrittweite beim menschlichen Gehen. Proz. R. Soc. Lange. B 268, 1985-1992. (doi:10.1098/rspb.2001.1761) Link, ISI, Google Scholar

. 2004 Geschlechtsunterschiede in dreidimensionalen Ganganalysedaten von 98 gesunden koreanischen Erwachsenen. Klin. Biomech. (Bristol, Avon) 19, 145-152. (doi:10.1016/j.clinbiomech.2003.10.003) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Ko SU, Tolea MI, Hausdorff JM, Ferrucci L

. 2011 Geschlechtsspezifische Unterschiede im Gangbild gesunder älterer Erwachsener: Ergebnisse der Baltimore-Längsstudie zum Altern . J. Biomech. 44, 1974-1979. (doi:10.1016/j.jbiomech.2011.05.005) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Spyropoulos P, Pisciotta JC, Pavlou KN, Cairns MA, Simon SR

. 1991 Biomechanische Ganganalyse bei adipösen Männern. Bogen. Phys. Med. Reha. 72, 1065-1070. PubMed, ISI, Google Scholar

Forner Cordero A, Koopman HFJM, van der Helm FCT

. 2003 Mehrstufige Strategien zur Erholung von stolpernden Störungen . Ganghaltung 18, 47-59. (doi:10.1016/S0966-6362(02)00160-1) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

McAndrew Young PM, Dingwell JB

. 2012 Willkürliche Veränderungen der Schrittweite und Schrittlänge beim menschlichen Gehen wirken sich auf dynamische Stabilitätsgrenzen aus. Ganghaltung 36, 219-224. (doi:10.1016/j.gaitpost.2012.02.020) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2005 Energiekosten und bevorzugte Gehgeschwindigkeit bei übergewichtigen vs. normalgewichtigen Frauen. Fettleibigkeit Res. 13, 891-899. (doi:10.1038/oby.2005.103) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2017 Adipositas führt bei jungen Erwachsenen möglicherweise nicht zu einem dynamischen Stabilitätsnachteil beim oberirdischen Gehen. Plus eins 12, e0169766. (doi:10.1371/journal.pone.0169766) PubMed, ISI, Google Scholar

Huang L, Chen P, Zhuang J, Zhang Y, Walt S

. 2013 Stoffwechselkosten, mechanische Arbeit und Effizienz beim normalen Gehen bei übergewichtigen und normalgewichtigen Kindern . Res. Q-Übung Sport. 84(Beilage 2), S72-SS9. (doi:10.1080/02701367.2013.849159) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Espy DD, Yang F, Bhatt T, Pai YC

. 2010 Unabhängiger Einfluss von Ganggeschwindigkeit und Schrittlänge auf Stabilität und Sturzrisiko. Ganghaltung 32, 378-382. (doi:10.1016/j.gaitpost.2010.06.013) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Gardner AW, Forrester L, Smith GV

. 2001 Verändertes Gangprofil bei Patienten mit peripherer arterieller Verschlusskrankheit. Vask. Med. 6, 31-34. (doi:10.1177/1358836X0100600106) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2010 Räumliche und zeitliche Parameter selbstgewählter und schneller Gehgeschwindigkeiten bei gesunden, in Gemeinschaft lebenden Erwachsenen im Alter von 72–98 Jahren . J. Geriatr. Phys. Da. 33, 173-183. PubMed, ISI, Google Scholar


Anthropometrische Merkmale und Gangwechselgeschwindigkeit in der menschlichen Fortbewegung

Der Zweck dieser Studie war es, die Beziehung zwischen anthropometrischen Parametern und der bevorzugten Übergangsgeschwindigkeit (PTS) in der menschlichen Fortbewegung bei beiden Geschlechtern zu untersuchen. Frühere Studien, in denen Körpermaße als mögliche Determinanten des PTS untersucht wurden, waren auf die Körperlängsmaße ausgerichtet, während die Beziehung zwischen dem PTS und den Körperquermaßen bisher nicht untersucht wurde. Bei 48 Sportschülern (21 Männer, 27 Frauen) wurden anthropometrische Parameter in Längsrichtung und Querrichtung gemessen und ein Belastungstest zur Bestimmung des PTS durchgeführt. Die Beziehung zwischen dem PTS und den anthropometrischen Variablen wurde unter Verwendung von Pearson-Produkt-Moment-Korrelationen und schrittweiser multipler Regressionsanalyse bestimmt. Es wurden schwache bis mäßige Korrelationen zwischen mehreren Körpergrößen- und Körperformvariablen und dem PTS gefunden. Bei Männern signifikante negative Korrelationen (P < .05) zwischen transversalen Körpermaßen skaliert auf Körpergröße (Wadenumfang, Schulter, bikristaler und bitrochantärer Durchmesser) und dem PTS gefunden (R = −.51 bis −.63). Bei den Weibchen korrelierten Waden- und Oberschenkelumfang höhenskaliert signifikant negativ mit dem PTS (R = −.61 bzw. −.42 P < .05). Die Ergebnisse der Studie legen nahe, dass die Gangwechselgeschwindigkeit beim Menschen sowohl von den Körperquer- als auch von den Körperlängsmaßen abhängt und dass der Geschlechtsdimorphismus in Körpergröße und -form für eine korrekte Interpretation des PTS berücksichtigt werden sollte.

Höhepunkte

► Wir untersuchen anthropometrische Merkmale und die bevorzugte Übergangsgeschwindigkeit beim Menschen nach Geschlecht. ► Der neuartige Ansatz ist die Einbeziehung von Querkörpermaßen. ► Sowohl die Körpermaße in Quer- als auch in Längsrichtung hängen von der Gangwechselgeschwindigkeit ab. ► Sexualdimorphismus in Körpergröße und -form scheint die Gangwechselgeschwindigkeit zu beeinflussen.


Inhalt

Die Allometrie ist eine bekannte Studie, insbesondere in der statistischen Formanalyse für ihre theoretischen Entwicklungen sowie in der Biologie für praktische Anwendungen zu den unterschiedlichen Wachstumsraten der Körperteile eines lebenden Organismus. Eine Anwendung liegt in der Untersuchung verschiedener Insektenarten (z. B. Herkuleskäfer), bei denen eine geringe Änderung der Gesamtkörpergröße zu einer enormen und überproportionalen Vergrößerung der Abmessungen von Gliedmaßen wie Beinen, Antennen oder Hörnern führen kann [6] Beziehung zwischen den beiden Messgrößen wird oft als Potenzgesetzgleichung (allometrische Gleichung) ausgedrückt, die eine bemerkenswerte Skalensymmetrie ausdrückt: [7]

wobei a der Skalierungsexponent des Gesetzes ist. Methoden zum Schätzen dieses Exponenten aus Daten können Typ-2-Regressionen verwenden, wie z unabhängige Variable (zB log Körpermasse). Andere Methoden umfassen Messfehlermodelle und eine besondere Art der Hauptkomponentenanalyse.

Allometrische Gleichung - Art der Ausdrucksquelle. [8]

Die allometrische Gleichung kann jedoch als Lösung der folgenden Differentialgleichung gewonnen werden

Die Allometrie untersucht häufig Formunterschiede in Bezug auf die Größenverhältnisse der Objekte. Zwei Objekte unterschiedlicher Größe, aber gemeinsamer Form haben die Abmessungen im gleichen Verhältnis. Nehmen wir zum Beispiel ein biologisches Objekt, das wächst, während es reift. Seine Größe ändert sich mit dem Alter, aber die Formen sind ähnlich. Untersuchungen der ontogenetischen Allometrie verwenden häufig Eidechsen oder Schlangen als Modellorganismen, sowohl weil ihnen die elterliche Fürsorge nach der Geburt oder dem Schlüpfen fehlt, als auch weil sie eine große Bandbreite an Körpergrößen zwischen dem Jugend- und Erwachsenenstadium aufweisen. Eidechsen zeigen während ihrer Ontogenese häufig allometrische Veränderungen. [9]

Neben wachstumsorientierten Studien untersucht die Allometrie auch die Formvariation zwischen Individuen eines bestimmten Alters (und Geschlechts), was als statische Allometrie bezeichnet wird. [10] Speziesvergleiche werden verwendet, um interspezifische oder evolutionäre Allometrie zu untersuchen (siehe auch: Phylogenetische Vergleichsmethoden).

Skalierungsbereich für verschiedene Organismen [11]
Gruppe Faktor Längenbereich
Insekten 1000 10 -4 bis 10 -1 m
Fisch 1000 10 -2 bis 10 +1 m
Säugetiere 1000 10 -1 bis 10 +2 m
Gefäßpflanzen 10,000 10 -2 bis 10 +2 m
Algen 100,000 10 -5 bis 10 0 m

Isometrische Skalierung tritt auf, wenn proportionale Beziehungen bei Größenänderungen während des Wachstums oder im Laufe der Evolution beibehalten werden. Ein Beispiel findet sich bei Fröschen – abgesehen von einer kurzen Periode in den wenigen Wochen nach der Metamorphose wachsen Frösche isometrisch. [12] Daher wird ein Frosch, dessen Beine so lang sind wie sein Körper, diese Beziehung sein ganzes Leben lang beibehalten, selbst wenn der Frosch selbst enorm an Größe zunimmt.

Die isometrische Skalierung unterliegt dem Quadrat-Würfel-Gesetz. Ein Organismus, der seine Länge isometrisch verdoppelt, wird feststellen, dass sich die ihm zur Verfügung stehende Oberfläche vervierfacht, während sich sein Volumen und seine Masse um den Faktor 8 erhöhen. Dies kann für Organismen Probleme bereiten. Im obigen Fall hat das Tier jetzt das Achtfache des biologisch aktiven Gewebes zu unterstützen, aber die Oberfläche seiner Atmungsorgane hat sich nur vervierfacht, was zu einem Missverhältnis zwischen Schuppen und körperlichen Anforderungen führt. In ähnlicher Weise hat der Organismus im obigen Beispiel jetzt die achtfache Masse, die er auf seinen Beinen tragen muss, aber die Stärke seiner Knochen und Muskeln hängt von ihrer Querschnittsfläche ab, die sich nur vervierfacht hat. Daher würde dieser hypothetische Organismus die doppelte Knochen- und Muskelbelastung seiner kleineren Version erfahren. Diese Diskrepanz kann entweder dadurch vermieden werden, dass man sie im kleinen Zustand "überbaut" oder die Proportionen während des Wachstums ändert, was Allometrie genannt wird.

Die isometrische Skalierung wird in Skalierungsstudien oft als Nullhypothese verwendet, wobei „Abweichungen von der Isometrie“ als Beweis für physiologische Faktoren angesehen werden, die das allometrische Wachstum erzwingen.

Allometrische Skalierung ist jede Änderung, die von der Isometrie abweicht. Ein klassisches Beispiel, das Galileo in seinem Dialoge über zwei neue Wissenschaften ist das Skelett von Säugetieren. Die Skelettstruktur wird im Verhältnis zur Körpergröße mit zunehmender Körpergröße viel stärker und robuster. [13] Allometrie wird oft in Form eines Skalierungsexponenten basierend auf der Körpermasse oder Körperlänge (Schnauze-Länge, Gesamtlänge usw.) ausgedrückt. Bei einem perfekt allometrisch skalierenden Organismus würden sich alle volumenbasierten Eigenschaften proportional zur Körpermasse ändern, alle oberflächenbasierten Eigenschaften ändern sich mit der Masse in der Potenz von 2/3 und alle längenbasierten Eigenschaften ändern sich mit der Masse in der Potenz von 1 /3. Wenn beispielsweise nach statistischen Analysen festgestellt wurde, dass eine volumenbasierte Eigenschaft mit der 0,9-ten Potenz auf Masse skaliert, würde dies als "negative Allometrie" bezeichnet, da die Werte kleiner sind als von der Isometrie vorhergesagt. Umgekehrt, wenn eine oberflächenbasierte Eigenschaft mit der 0,8-ten Potenz auf die Masse skaliert wird, sind die Werte höher als durch die Isometrie vorhergesagt und der Organismus wird als "positive Allometrie" bezeichnet. Ein Beispiel für eine positive Allometrie tritt bei Arten von Waranen (Familie Varanidae) auf, bei denen die Gliedmaßen bei größeren Arten relativ länger sind. [14] Dasselbe gilt für einige Fische, z.B. die Muskellunge, deren Gewicht mit etwa der Kraft von 3,325 ihrer Länge wächst. [15] Eine 30-Zoll-Muskellunge wiegt etwa 3,6 kg, während eine 40-Zoll-Muskellunge etwa 8,2 kg wiegt doppeltes Gewicht.

Um zu bestimmen, ob Isometrie oder Allometrie vorliegt, muss eine erwartete Beziehung zwischen Variablen bestimmt werden, mit der die Daten verglichen werden. Dies ist wichtig, um festzustellen, ob die Skalierungsbeziehung in einem Dataset von einer erwarteten Beziehung abweicht (z. B. denen, die der Isometrie folgen). Die Verwendung von Werkzeugen wie der Dimensionsanalyse ist sehr hilfreich bei der Bestimmung der erwarteten Neigung. [16] [17] [18] Diese sogenannte „erwartete“ Steigung ist für die Erkennung der Allometrie unerlässlich, da Skalierungsvariablen Vergleiche mit anderen Dingen sind. Zu sagen, dass die Masse mit einer Steigung von 5 in Bezug auf die Länge skaliert, hat keine große Bedeutung, es sei denn, die isometrische Steigung beträgt 3, was bedeutet, dass die Masse in diesem Fall extrem schnell zunimmt.Zum Beispiel sollten Frösche unterschiedlicher Größe in der Lage sein, die gleiche Distanz zu springen, gemäß dem geometrischen Ähnlichkeitsmodell von Hill 1950 [19] und interpretiert von Wilson 2000 [20], aber in Wirklichkeit springen größere Frösche größere Distanzen. Die Dimensionsanalyse ist äußerst nützlich, um Einheiten in einer Gleichung auszugleichen oder in diesem Fall die erwartete Steigung zu bestimmen.

Es folgen einige dimensionale Beispiele (M = Masse, L = Länge):

Eine gängige Methode zur Analyse von Daten, wie sie bei der Skalierung erfasst werden, ist die Verwendung von Log-Transformation. Es gibt zwei Gründe für die logarithmische Transformation – einen biologischen und einen statistischen Grund. Die Log-Log-Transformation ordnet Zahlen in einen geometrischen Bereich ein, sodass proportionale Abweichungen unabhängig von Maßstab und Maßeinheiten konsistent dargestellt werden. In der Biologie ist dies angemessen, weil viele biologische Phänomene (z.B. Wachstum, Fortpflanzung, Stoffwechsel, Empfindung) grundsätzlich multiplikativ sind. [22] Statistisch gesehen ist es vorteilhaft, beide Achsen logarithmisch zu transformieren und dann eine lineare Regression durchzuführen. Dadurch wird der Datensatz normalisiert und die Trendanalyse anhand der Steigung der Linie erleichtert. [23] Vor der Analyse von Daten ist es jedoch wichtig, eine vorhergesagte Steigung der Linie zu haben, mit der die Analyse verglichen werden kann.

Nachdem die Daten logarithmisch transformiert und linear regressiert wurden, können Vergleiche dann die Regression der kleinsten Quadrate mit 95 %-Konfidenzintervallen oder eine reduzierte Hauptachsenanalyse verwenden. Manchmal können die beiden Analysen unterschiedliche Ergebnisse liefern, aber oft nicht. Liegt die erwartete Steigung außerhalb der Konfidenzintervalle, liegt eine Allometrie vor. Wenn die Masse bei diesem imaginären Tier mit einer Steigung von 5 skaliert würde und dies ein statistisch signifikanter Wert wäre, dann würde die Masse bei diesem Tier im Vergleich zum erwarteten Wert sehr schnell skalieren. Es würde mit positiver Allometrie skalieren. Wenn die erwartete Steigung 3 wäre und in Wirklichkeit in einem bestimmten Organismus die Masse mit 1 skaliert würde (vorausgesetzt, diese Steigung ist statistisch signifikant), dann wäre sie negativ allometrisch.

Ein weiteres Beispiel: Die Kraft ist abhängig von der Querschnittsfläche des Muskels (CSA), die L 2 beträgt. Beim Vergleich der Kraft mit einer Länge beträgt die erwartete Steigung 2. Alternativ kann diese Analyse mit einer Potenzregression durchgeführt werden. Zeichnen Sie die Beziehung zwischen den Daten in ein Diagramm ein. Passen Sie dies an eine Leistungskurve an (je nach Statistikprogramm kann dies auf mehrere Arten erfolgen), und es ergibt eine Gleichung mit der Form: ja=Zx n , wo n ist die Nummer. Diese "Zahl" ist die Beziehung zwischen den Datenpunkten. Der Nachteil dieser Form der Analyse ist, dass es etwas schwieriger ist, statistische Analysen durchzuführen.

Viele physiologische und biochemische Prozesse (wie Herzfrequenz, Atemfrequenz oder die maximale Reproduktionsrate) zeigen eine Skalierung, die meist mit dem Verhältnis zwischen Oberfläche und Masse (oder Volumen) des Tieres verbunden ist. [7] Die Stoffwechselrate eines einzelnen Tieres unterliegt ebenfalls einer Skalierung.

Stoffwechselrate und Körpermasse Bearbeiten

Beim Auftragen des Grundumsatzes (BMR) eines Tieres gegen die eigene Körpermasse des Tieres wird eine logarithmische Gerade erhalten, die eine Potenzgesetz-Abhängigkeit anzeigt. Es wird allgemein angenommen, dass die Gesamtstoffwechselrate bei Tieren eine negative Allometrie zeigt, die auf eine Potenz von ≈ 0,75 skaliert, bekannt als Kleiber-Gesetz, 1932. Dies bedeutet, dass Arten mit größerem Körper (z. B. Elefanten) niedrigere massespezifische Stoffwechselraten haben und niedrigere Herzfrequenzen im Vergleich zu Spezies mit kleinerem Körper (z. B. Mäuse). Die aus einer doppelt logarithmischen Skala des Stoffwechsels in Relation zur Körpermasse erzeugte Gerade wird als "Maus-Elefanten-Kurve" bezeichnet. [24] Diese Beziehungen von Stoffwechselraten, Zeiten und innerer Struktur wurden wie folgt erklärt: "Ein Elefant ist ungefähr ein aufgeblasener Gorilla, der selbst eine aufgeblasene Maus ist." [25]

Max Kleiber trug die folgende allometrische Gleichung bei, um den BMR mit der Körpermasse eines Tieres in Beziehung zu setzen. [24] Die statistische Analyse des Achsenabschnitts variierte nicht von 70 und die Steigung wurde nicht von 0,75 variiert, also:

Folglich kann die Körpermasse selbst den Großteil der Variation des BMR erklären. Nach dem Body-Mass-Effekt spielt die Taxonomie des Tieres die zweitwichtigste Rolle bei der Skalierung des BMR. Die weiteren Spekulationen, dass Umweltbedingungen bei der BMR eine Rolle spielen, können erst richtig untersucht werden, wenn die Rolle der Taxonomie etabliert ist. Die Herausforderung dabei liegt darin, dass eine gemeinsame Umgebung auch auf eine gemeinsame Evolutionsgeschichte und damit auf eine enge taxonomische Verwandtschaft hinweist. Zur Überwindung dieser Hürden gibt es derzeit Fortschritte in der Forschung, beispielsweise eine Analyse bei Muroidnagetieren [24] des Maus-, Hamster- und Wühlmaus-Typs, die die Taxonomie berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigten, dass der Hamster (warmes trockenes Habitat) den niedrigsten BMR und die Maus (warmes nasses dichtes Habitat) den höchsten BMR hatte. Größere Organe könnten die hohen BMR-Gruppen zusammen mit ihrem höheren täglichen Energiebedarf erklären. Analysen wie diese zeigen die physiologischen Anpassungen von Tieren an Umweltveränderungen.

Der Energiestoffwechsel unterliegt der Skalierung eines Tieres und kann durch die individuelle Körpergestaltung überwunden werden. Der metabolische Umfang für ein Tier ist das Verhältnis von Ruhe- und maximaler Stoffwechselrate für diese bestimmte Spezies, bestimmt durch den Sauerstoffverbrauch. Sauerstoffverbrauch VO2 und maximaler Sauerstoffverbrauch VO2 max. Der Sauerstoffverbrauch bei Arten, die sich in Körpergröße und Organsystemdimensionen unterscheiden, zeigt eine Ähnlichkeit in ihren kartierten VO2 Verteilungen, die darauf hinweisen, dass trotz der Komplexität ihrer Systeme eine Potenzgesetz-Abhängigkeit der Ähnlichkeit besteht, daher werden universelle Muster in der diversen Tiertaxonomie beobachtet. [28]

Bei einem breiten Artenspektrum sind allometrische Beziehungen auf einer log-log-Skala nicht unbedingt linear. Zum Beispiel zeigen die maximalen Laufgeschwindigkeiten von Säugetieren einen komplizierten Zusammenhang mit der Körpermasse, und die schnellsten Sprinter haben eine mittlere Körpergröße. [29] [30]

Allometrische Muskeleigenschaften Bearbeiten

Die Muskeleigenschaften von Tieren sind in einer Vielzahl von Tiergrößen ähnlich, obwohl Muskelgrößen und -formen je nach den ihnen auferlegten Umweltbedingungen variieren können und oft auch tun. Das Muskelgewebe selbst behält seine kontraktilen Eigenschaften und variiert nicht in Abhängigkeit von der Größe des Tieres. Die physiologische Skalierung der Muskeln beeinflusst die Anzahl der Muskelfasern und ihre intrinsische Geschwindigkeit, um die maximale Kraft und Effizienz der Bewegung bei einem bestimmten Tier zu bestimmen. Die Geschwindigkeit der Muskelrekrutierung variiert ungefähr umgekehrt proportional zur Kubikwurzel des Gewichts des Tieres (vergleiche die Eigenfrequenz des Flugmuskels des Spatzen mit der eines Storchs).

Für allometrische Beziehungen zwischen Arten, die sich auf ökologische Variablen wie die maximale Reproduktionsrate beziehen, wurde versucht, die Skalierung im Kontext der dynamischen Energiehaushaltstheorie und der metabolischen Theorie der Ökologie zu erklären. Allerdings waren solche Ideen weniger erfolgreich.

Allometrie der Fortbewegung mit Beinen Bearbeiten

Studienmethoden Bearbeiten

Allometrie wurde verwendet, um Muster in Bewegungsprinzipien über eine breite Palette von Arten zu untersuchen. [31] [32] [33] [34] Diese Forschung wurde im Streben nach einem besseren Verständnis der Fortbewegung von Tieren durchgeführt, einschließlich der Faktoren, die verschiedene Gangarten zu optimieren versuchen. [34] Allometrische Trends, die bei lebenden Tieren beobachtet wurden, wurden sogar mit evolutionären Algorithmen kombiniert, um realistische Hypothesen über die Bewegungsmuster ausgestorbener Arten zu bilden. [33] Diese Studien wurden durch die bemerkenswerten Ähnlichkeiten zwischen der Bewegungskinematik und -dynamik verschiedener Arten ermöglicht, „trotz Unterschieden in Morphologie und Größe“. [31]

Die allometrische Untersuchung der Fortbewegung beinhaltet die Analyse der relativen Größen, Massen und Gliedmaßenstrukturen ähnlich geformter Tiere und wie diese Merkmale ihre Bewegungen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten beeinflussen. [34] Muster werden basierend auf dimensionslosen Froude-Zahlen identifiziert, die Messungen der Beinlänge, Geschwindigkeit oder Schrittfrequenz und des Gewichts der Tiere beinhalten. [33] [34]

Alexander integriert die Froude-Zahl-Analyse in seine "dynamische Ähnlichkeitshypothese" von Gangmustern. Dynamisch ähnliche Gangarten sind solche, zwischen denen konstante Koeffizienten liegen, die lineare Abmessungen, Zeitintervalle und Kräfte in Beziehung setzen können. Mit anderen Worten, bei einer mathematischen Beschreibung von Gangart A und diesen drei Koeffizienten könnte man Gangart B erzeugen und umgekehrt. Die Hypothese selbst lautet wie folgt: "Tiere unterschiedlicher Größe neigen dazu, sich dynamisch ähnlich zu bewegen, wann immer das Verhältnis ihrer Geschwindigkeit es zulässt." Obwohl die dynamische Ähnlichkeitshypothese kein wirklich vereinheitlichendes Prinzip tierischer Gangmuster ist, ist sie eine bemerkenswert genaue Heuristik. [34]

Es wurde auch gezeigt, dass lebende Organismen aller Formen und Größen Federmechanismen in ihren Bewegungssystemen verwenden, wahrscheinlich um die Energiekosten der Fortbewegung zu minimieren. [35] Die allometrische Untersuchung dieser Systeme hat ein besseres Verständnis dafür gefördert, warum Federmechanismen so häufig sind, [35] wie die Compliance der Gliedmaßen mit der Körpergröße und -geschwindigkeit variiert, [31] und wie diese Mechanismen die allgemeine Kinematik und Dynamik der Gliedmaßen beeinflussen. [32]

Prinzipien der Fortbewegung mit Beinen, die durch Allometrie identifiziert wurden Bearbeiten

  • Alexander fand heraus, dass Tiere unterschiedlicher Größe und Masse, die mit derselben Froude-Zahl reisen, durchweg ähnliche Gangmuster aufweisen. [34]
  • Die Belastungsfaktoren – Prozentsätze eines Schrittes, während denen ein Fuß Bodenkontakt hält – bleiben für verschiedene Tiere, die sich mit derselben Froude-Zahl bewegen, relativ konstant. [34]
  • Die dynamische Ähnlichkeitshypothese besagt, dass "Tiere unterschiedlicher Größe dazu neigen, sich dynamisch ähnlich zu bewegen, wann immer das Verhältnis ihrer Geschwindigkeit es zulässt". [34]
  • Die Körpermasse hat einen noch größeren Einfluss auf die Dynamik der Gliedmaßen als die Geschwindigkeit. [32]
  • Beinsteifigkeit, k Bein = Spitzenkraft Spitzenverschiebung >=>< ext>>> , ist proportional zu M 0.67 > , wobei M die Körpermasse ist. [32]
  • Die während eines Schritts erfahrene Spitzenkraft ist proportional zu M 0,97 > . [32]
  • Der Betrag, um den sich ein Bein während eines Schrittes verkürzt (d. h. seine Spitzenverschiebung) ist proportional zu M 0.30 > . [32]
  • Der von einem Bein während eines Schritts überstrichene Winkel ist proportional zu M − 0.034 > . [32]
  • Die massenspezifische Arbeitsrate einer Extremität ist proportional zu M 0.11 > . [32]

Skalierung der Medikamentendosis Bearbeiten

Die physiologische Wirkung von Medikamenten und anderen Substanzen skaliert in vielen Fällen allometrisch. Zum Beispiel skaliert die Plasmakonzentration von Carotinoiden bei neun Raub- und Aasfresserarten mit der Dreiviertelpotenz der Masse. [36]

Ein auf der obigen Arbeit basierender allometrischer Online-Skalierer von Medikamentendosen ist verfügbar. [39]

Die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) veröffentlichte 2005 Leitlinien mit einem Flussdiagramm, das die Entscheidungen und Berechnungen darstellt, die verwendet wurden, um die maximal empfohlene Anfangsdosis in klinischen Arzneimittelstudien aus Tierdaten zu ermitteln. [40]

Dieser technische Abschnitt ist nicht gut geschrieben und muss bearbeitet werden.

Die Masse und Dichte eines Organismus haben einen großen Einfluss auf die Fortbewegung des Organismus durch eine Flüssigkeit. Zum Beispiel verwendet ein winziger Organismus Geißeln und kann sich effektiv durch eine Flüssigkeit bewegen, in der er suspendiert ist. Dann auf der anderen Skala ein Blauwal, der im Vergleich zur Viskosität der Flüssigkeit viel massiver und dichter ist als ein Bakterium in der gleiches Medium. Die Art und Weise, wie die Flüssigkeit mit den äußeren Grenzen des Organismus interagiert, ist bei der Fortbewegung durch die Flüssigkeit wichtig. Bei stromlinienförmigen Schwimmern bestimmt der Widerstand oder Widerstand die Leistungsfähigkeit des Organismus. Dieser Widerstand oder Widerstand kann in zwei unterschiedlichen Strömungsmustern gesehen werden. Es gibt einen Laminar Flow, bei dem die Flüssigkeit relativ ununterbrochen ist, nachdem sich der Organismus durch sie hindurch bewegt hat. Turbulente Strömung ist das Gegenteil, bei der sich die Flüssigkeit grob um einen Organismus bewegt, wodurch Wirbel erzeugt werden, die Energie aus dem Antrieb oder dem Impuls des Organismus absorbieren. Die Skalierung beeinflusst auch die Fortbewegung durch eine Flüssigkeit aufgrund der Energie, die benötigt wird, um einen Organismus anzutreiben und die Geschwindigkeit durch Impuls aufrechtzuerhalten. Der Sauerstoffverbrauch pro Gramm Körpergröße nimmt mit zunehmender Körpergröße stetig ab. [41] (Knut Schmidt-Nielson 2004)

Im Allgemeinen erzeugen kleinere, stromlinienförmigere Organismen eine laminare Strömung (R < 0,5x106), während größere, weniger stromlinienförmige Organismen turbulente Strömungen erzeugen (R > 2,0 × 106). [19] Auch eine Zunahme der Geschwindigkeit (V) erhöht die Turbulenz, was mit der Reynolds-Gleichung bewiesen werden kann. In der Natur haben Organismen wie ein 1,98 m (6 Fuß 6 Zoll) großer Delfin, der sich mit 15 Knoten bewegt, jedoch nicht die entsprechenden Reynolds-Zahlen für laminare Strömung R = 107, sondern zeigen es in der Natur. Herr G.A. Steven beobachtete und dokumentierte Delfine, die sich mit 15 Knoten neben seinem Schiff bewegten und eine einzige Lichtspur hinterließen, als die phosphoreszierende Aktivität im Meer hoch war. Die Faktoren, die dazu beitragen, sind:

  • Die Oberfläche des Organismus und seine Wirkung auf die Flüssigkeit, in der der Organismus lebt, ist sehr wichtig für die Bestimmung der Bewegungsparameter.
  • Die Geschwindigkeit eines Organismus durch Flüssigkeit verändert die Dynamik der Strömung um diesen Organismus und mit zunehmender Geschwindigkeit wird die Form des Organismus für die laminare Strömung wichtiger.
  • Dichte und Viskosität der Flüssigkeit.
  • Die Länge des Organismus wird in die Gleichung eingerechnet, da nur die Oberfläche der vorderen 2/3 des Organismus einen Einfluss auf den Widerstand hat

Der Widerstand gegen die Bewegung eines annähernd stromlinienförmigen Körpers durch eine Flüssigkeit kann durch die Formel ausgedrückt werden: C(Gesamtfläche)V2/2 [19]
V = Geschwindigkeit

ρ = Dichte der Flüssigkeit CF = 1.33R − 1 (laminare Strömung) R = Reynolds-Zahl Reynolds-Zahl [R] = VL/ν V = Geschwindigkeit L = axiale Länge des Organismus ν = kinematische Viskosität (Viskosität/Dichte)

R < 0,5x106 = Laminar-Flow-Schwelle R > 2,0x106 = Schwelle für turbulente Strömung

Die Skalierung hat auch einen Einfluss auf die Leistung von Organismen in Flüssigkeit. Dies ist äußerst wichtig für Meeressäuger und andere Meeresorganismen, die auf Luftsauerstoff angewiesen sind, um zu überleben und zu atmen. Dies kann beeinflussen, wie schnell sich ein Organismus effizient fortbewegen kann und, noch wichtiger, wie lange er tauchen kann oder wie lange und wie tief ein Organismus unter Wasser bleiben kann. Herzmasse und Lungenvolumen sind wichtig, um zu bestimmen, wie die Skalierung die Stoffwechselfunktion und -effizienz beeinflussen kann. Wassersäugetiere haben wie andere Säugetiere die gleiche Herzgröße, die proportional zu ihrem Körper ist.

Säugetiere haben ein Herz, das ungefähr 0,6% der gesamten Körpermasse ausmacht, von einer kleinen Maus bis zu einem großen Blauwal. Es kann ausgedrückt werden als: Herzgewicht = 0,006 Mb1,0, wobei Mb die Körpermasse des Individuums ist. [41] Das Lungenvolumen steht auch bei Säugetieren in direktem Zusammenhang mit der Körpermasse (Steigung = 1,02). Die Lunge hat ein Volumen von 63 ml pro kg Körpermasse. Darüber hinaus beträgt das Atemzugvolumen in Ruhe bei einer Person 1/10 des Lungenvolumens. Auch die Beatmungskosten in Bezug auf den Sauerstoffverbrauch werden in der Größenordnung von Mb.75 skaliert. [41] Dies zeigt, dass Säugetiere, unabhängig von ihrer Größe, das gleiche Atmungs- und Herz-Kreislauf-System haben und wiederum die gleiche Menge Blut haben: etwa 5,5% der Körpermasse. Dies bedeutet, dass bei ähnlich gestalteten Meeressäugern je größer das Individuum ist, desto effizienter kann es im Vergleich zu einem kleineren Individuum reisen. Es erfordert die gleiche Anstrengung, eine Körperlänge zu bewegen, egal ob die Person einen Meter oder zehn Meter groß ist. Dies kann erklären, warum große Wale in den Ozeanen weit wandern können und nicht zur Ruhe kommen. Es ist metabolisch weniger teuer, eine größere Körpergröße zu haben. [41] Dies gilt auch für Land- und Flugtiere. Tatsächlich verbrauchen kleinere Tiere mehr Sauerstoff pro Körpermasse als größere, damit ein Organismus eine beliebige Entfernung zurücklegen kann, unabhängig von der Art, vom Elefanten bis zum Tausendfüßler. Dieser metabolische Vorteil, den größere Tiere haben, ermöglicht es größeren Meeressäugern, länger zu tauchen als ihre kleineren Artgenossen. Die niedrigere Herzfrequenz bedeutet, dass größere Tiere mehr Blut transportieren können, das mehr Sauerstoff transportiert. In Verbindung mit der Tatsache, dass die Reparationskosten von Säugetieren in der Größenordnung von Mb.75 liegen, zeigt sich, wie ein Vorteil durch eine größere Körpermasse erzielt werden kann. Einfacher gesagt kann ein größerer Wal mehr Sauerstoff aufnehmen und gleichzeitig weniger metabolisch verbrauchen als ein kleinerer Wal.

Das Reisen über lange Distanzen und tiefe Tauchgänge ist eine Kombination aus guter Ausdauer und einer effizienten Geschwindigkeit und auf effiziente Weise, um eine laminare Strömung zu erzeugen, die Widerstand und Turbulenzen reduziert. In Meerwasser als Flüssigkeit wird es bei großen Säugetieren wie Walen durch ihren neutralen Auftrieb erleichtert und ihre Masse wird vollständig von der Dichte des Meerwassers getragen. An Land müssen Tiere bei der Fortbewegung einen Teil ihrer Energie aufwenden, um die Auswirkungen der Schwerkraft zu bekämpfen.

Auch fliegende Organismen wie Vögel gelten als sich durch eine Flüssigkeit bewegend. Beim Beschuppen von Vögeln ähnlicher Form wurde auch festgestellt, dass größere Individuen weniger Stoffwechselkosten pro kg haben als kleinere Arten, was zu erwarten wäre, da dies für jede andere Tierform gilt. Vögel haben auch eine Varianz in der Flügelschlagfrequenz. Selbst mit der Kompensation größerer Flügel pro Körpermasseeinheit haben größere Vögel auch eine langsamere Flügelschlagfrequenz, was es größeren Vögeln ermöglicht, in größeren Höhen, größeren Entfernungen und schnelleren absoluten Geschwindigkeiten zu fliegen als kleinere Vögel. Aufgrund der Dynamik der auftriebsbasierten Fortbewegung und der Fluiddynamik haben Vögel eine U-förmige Kurve für Stoffwechselkosten und Geschwindigkeit. Denn das Fliegen in der Luft als Flüssigkeit ist bei den niedrigsten und höchsten Geschwindigkeiten metabolisch teurer. Auf der anderen Seite können kleine Organismen wie Insekten von der Viskosität der Flüssigkeit (Luft) profitieren, in der sie sich bewegen. Ein perfekt getimter Flügelschlag kann effektiv Energie aus dem vorherigen Schlag aufnehmen (Dickinson 2000). Diese Form des Nachlaufs ermöglicht es einem Organismus, Energie aus der Flüssigkeit oder den Wirbeln in dieser Flüssigkeit, die vom Organismus selbst erzeugt wird, zu recyceln. Dieselbe Art des Einfangens von Kielwasser findet auch bei Wasserorganismen und bei Organismen jeder Größe statt. Diese Dynamik der Flüssigkeitsbewegung ermöglicht es kleineren Organismen, einen Vorteil zu erzielen, da die Wirkung der Flüssigkeit auf sie aufgrund ihrer relativ geringeren Größe viel größer ist. [41] [42]

Allometrisches Engineering ist eine Methode zum Manipulieren allometrischer Beziehungen innerhalb oder zwischen Gruppen. [43]

Bettencourt et al. zeigten eine Reihe von Skalierungsbeziehungen zwischen beobachtbaren Eigenschaften einer Stadt und der Stadtgröße. BIP, "superkreative" Beschäftigung, Anzahl der Erfinder, Kriminalität, Ausbreitung von Krankheiten [25] und sogar die Gehgeschwindigkeit von Fußgängern [44] skalieren mit der Stadtbevölkerung.

Einige Beispiele für allometrische Gesetze:

Bei der Bestimmung der Körpermasse und -größe eines bestimmten Tieres spielen viele Faktoren eine Rolle. Diese Faktoren beeinflussen häufig die Körpergröße im evolutionären Maßstab, aber Bedingungen wie die Verfügbarkeit von Nahrung und die Größe des Lebensraums können viel schneller auf eine Art einwirken. Andere Beispiele sind die folgenden:


Abstrakt:

Langstreckenlauf hat unserer Spezies geholfen, zu überleben und sich zu entwickeln. Elemente des menschlichen Körpers, wie die Achillessehne und die Länge des menschlichen Körpers, machen unseren Körper auf das Laufen vorbereitet. Studien zeigen, dass Laufen Depressionen und Angstzustände lindern kann. Es kann das Risiko von Herzerkrankungen, Diabetes und Fettleibigkeit verringern. Zugegeben, Laufen kann Knochenbelastungsverletzungen, Bronchospasmen, Krämpfe, Blasen und andere Probleme verursachen. Diese physiologischen und psychologischen Vorteile überwiegen die Gesundheitsrisiken, die mit dem Laufen einhergehen. Trotz des Gesundheitsrisikos steigt die Popularität des Laufens immer noch. Langstreckenlauf hilft Menschen seit Millionen von Jahren, gesünder und glücklicher zu werden.

Artikel:

Der Langstreckenlauf hat das Gehirn der Menschen über Jahrmillionen geprägt und geschärft. Anthropologen haben die Hypothese aufgestellt, dass der Ausdauerlauf dem Menschen ermöglichte, Beute zu fangen, die ihm letztendlich die Energie für die Paarung lieferte (Reynolds)1. Laufen ist eine hochintensive und kostengünstige Übung, die es dem Menschen ermöglicht, seine anatomische Struktur vollständig zu nutzen. Der moderne Mensch hat seine sportlichen Fähigkeiten jedoch aufgrund von Zeitbeschränkungen wie langen Arbeitszeiten (Bewegungsmangel) nicht genutzt2. Dieser Mangel an routinemäßiger körperlicher Betätigung, den Menschen angenommen haben, hat das Risiko für die Entwicklung von Gesundheitsproblemen wie der koronaren Herzkrankheit erhöht (Lee et al.)3. Langstreckenlauf ist eine Übung, die zur Entwicklung der menschlichen anatomischen Struktur beigetragen und die menschliche physiologische und psychische Gesundheit im Laufe der Zeit beeinflusst hat, so dass die Übung heute Bedeutung für die menschliche Gesundheit hat.

Seit der ersten Präsenz des Homo vor 2 Millionen Jahren hat der Mensch bestimmte anatomische Merkmale bewahrt, die ihn für Langstreckenläufe gut geeignet gemacht haben. Viele dieser Funktionen helfen dem Menschen, Energie zu sparen. Menschliche Beine zum Beispiel bestehen aus langen, federartigen Sehnen, die mit kurzen Muskelfasern verbunden sind. Diese Funktion ermöglicht es dem Menschen, weniger Energie zu verbrauchen, wenn er seine Füße vom Boden abhebt. Der Mensch besitzt insbesondere die Achillessehne, die die Ferse mit den Plantarflexoren im Fuß verbindet. Tatsächlich geben diese Plantarflexoren oder Längsgewölbe ungefähr 17% der Energie zurück, die der Fuß aufwendet. Diese federähnlichen Fähigkeiten tragen zu den Schrittlängen von 2 bis 3,5 Metern bei, die der Mensch erreichen kann, sodass er längere Strecken mit geringerer Geschwindigkeit zurücklegen kann. Diese langen Schrittlängen können auch auf die lange Beinlänge des Menschen im Verhältnis zu seiner Körpermasse zurückgeführt werden (Bramble & Lieberman)4.

Die angeborene Skelettstärke und Stabilisierungsmechanismen, die der Mensch besitzt, machen seinen Körper auch für Langstreckenläufe geeignet. Wenn die Ferse des Fußes den Boden berührt, bewegen sich Stoßwellen den Körper hinauf durch die Wirbelsäule und in den Kopf, wodurch der Stress im ganzen Körper verteilt wird. Die menschliche Anatomie besteht aus starken Skelettgelenken und Gliedmaßen, die diesen hohen Belastungen standhalten können. Der menschliche Körper besteht auch aus Funktionen, die Langstreckenläufern Stabilität und Balance bieten. Zum Beispiel neigen sich Rumpf und Hals des Menschen beim Laufen nach vorne und sorgen so für das Gleichgewicht des gesamten Körpers. Außerdem schwingen Menschen beim Laufen ihre Arme, was zu einem Ungleichgewicht führen kann. Der Homo behält jedoch die abgeleitete Eigenschaft der breiten Schultern bei, die diese gewaltigen Bewegungen ausgleichen (Bramble & Lieberman)4. Diese angeborenen Eigenschaften des Körpers existieren, um es dem Menschen zu ermöglichen, sich beim Langstreckenlauf auszuzeichnen, daher wurde der menschliche Körper entwickelt, um diese Strukturen weiterhin zu nutzen.

Obwohl die ursprüngliche Struktur des menschlichen Körpers Merkmale aufwies, die Menschen zu fähigen Langstreckenläufern machten, hat der Mensch bestimmte Eigenschaften angepasst, die ihn für diese Aktivität geeigneter gemacht haben. Gemäß der Evolutionshypothese „trieb die natürliche Selektion die frühen Menschen dazu, noch athletischer zu werden.“1 Dies liegt daran, dass Menschen, die in der Lage waren, längere Strecken zu laufen, mehr Beute fangen konnten und so überlebten, um sich zu paaren und lebensfähige Nachkommen zu produzieren.1 Aufgrund der Variation, die im menschlichen Genom vorhanden ist, wurden die vielleicht weniger verbreiteten Merkmale, die den überlebenden Generationen zugute kamen, häufiger. So haben sich die Menschen entwickelt, um längere Beine und kürzere Zehen zu haben, um weniger Energie zu verbrauchen und für kürzere Strecken schneller zu reisen, weniger Haare und eine Vermehrung von ekkrinen Schweißdrüsen, um die Stoffwechselwärme zu verringern, und Innenohrmechanismen, um das Gleichgewicht und die Stabilität aufrechtzuerhalten.1, 4 Die Entwicklung dieser körperlichen Eigenschaften, die den Menschen zu geschickteren Läufern gemacht haben, veranschaulicht den Einfluss, den die Aktivität auf ihr Überleben hatte. Solange der Mensch Langstreckenlauf als körperliche Aktivität ausübt, werden sich außerdem die Körperstrukturen und -mechanismen anpassen, um seine Fähigkeiten zu verbessern.

Neben dem Beitrag zur Entwicklung der anatomischen menschlichen Eigenschaften ist Langstreckenlauf eine vorherrschende körperliche Aktivität geblieben, da es in der Vergangenheit psychologische Vorteile bietet. Zum Beispiel führt das Laufen dazu, dass das Gehirn Endorphine freisetzt, die „mit einer opiodergen Aktivierung in frontolimbischen Hirnregionen verbunden sind“, was eine beruhigende Wirkung erzeugt, die einen in einen euphorischen Zustand oder ein „Runner's High“ (The Runner's High Roth) versetzt.5 , 6 Diese Euphorie ist eng mit der Belohnung verbunden, da das Gefühl typischerweise nach Trainingserfahrungen empfunden wird.5 Solche Trainingsprogramme können beinhalten, „ein zuvor gesetztes Ziel zu erreichen, wie zum Beispiel 30 Minuten ohne Pause zu laufen oder einen 5-km-Lauf zu beenden“. 6 Laut Selma Roth gibt das Erreichen solcher Ziele „ein Gefühl der Ermächtigung“ und „erhöht das Selbstwertgefühl“. .6 Es ist die Kombination aus der Zunahme der inneren Kraft, die durch das High des Läufers induziert wird, und der erhöhten Fähigkeit, ein gesundes äußeres Erscheinungsbild aufrechtzuerhalten, das Langstreckenlauf bietet, die maximieren kann die potentielle körperliche Attraktivität. Daraus kann geschlossen werden, dass ein verbessertes körperliches Erscheinungsbild auch dazu beiträgt, das Selbstvertrauen aufzubauen. Somit ist es die Kombination aus der Steigerung des Selbstvertrauens, die sich beim Erreichen von Fernzielen ergibt, und der Maximierung der eigenen körperlichen Erscheinung, die positiv zur menschlichen psychischen Gesundheit beiträgt.

Laufen ist auch eine Form der körperlichen Betätigung, die zur Behandlung und Vorbeugung von psychischen Störungen eingesetzt werden kann. Laut den Archives of Internal Medicine lindert regelmäßige Bewegung wie Langstreckenlauf Depressionen ebenso wie verschreibungspflichtige Antidepressiva (Bauman).7 In einer Studie wurden 156 Männer und Frauen mit schweren depressiven Störungen in 3 Gruppen eingeteilt, und die Gruppe, die mit Aktivitäten wie 40 Minuten Laufen dreimal pro Woche aerob trainierte, hatte eine länger anhaltende Wirkung als die anfängliche Reaktion, die verschreibungspflichtige Antidepressiva bieten.7 Dies kann teilweise auf die vorübergehenden euphorischen Empfindungen zurückgeführt werden, die man bei einem „Runner's High“ erlebt. ”5 Bei regelmäßiger Durchführung bleiben die psychologischen Vorteile jedoch bestehen. Eine andere Studie mit Diabetikern ergab, dass eine langfristige aerobe Aktivität, wie z. Darüber hinaus wurde eine geringere Zunahme der physiologischen Reaktivität auf Stressoren festgestellt, wenn die Teilnehmer Aerobic-Übungen (Burish, Sementilli und Vasterling) durchführten Verringerung der Angstempfindlichkeit im Vergleich zu Übungen mit geringer Intensität. Darüber hinaus hatten nur die Teilnehmer an hochintensiven Trainingseinheiten eine geringere Angst vor angstbezogenen physiologischen Empfindungen (Rabian et al.).9 Langstreckenlauf ist sowohl eine hochintensive als auch eine lang anhaltende Trainingseinheit, daher korrelieren die Studien zu Stress und Training mit die psychologischen Auswirkungen einer solchen Aktivität. Insgesamt bietet körperliche Bewegung psychologische Vorteile für den Einzelnen. Langstreckenlauf ist eine Form der körperlichen Betätigung, die besonders vorteilhaft ist, weil sie sowohl von langer Dauer als auch von hoher Intensität ist. Daher hat sich das Langstreckenlauf positiv auf das psychische Wohlbefinden ausgewirkt, das sich auch heute noch auf die menschliche Gesundheit auswirkt.

Es hat sich gezeigt, dass Laufen auch einen Einfluss auf die psychologische Funktion des Schlafes hat. Laut einer Studie hatten gesunde Jugendliche, die drei Wochen lang an einem täglichen morgendlichen Lauftraining teilnahmen, im Vergleich zu Nichtläufern einen geringeren und insgesamt niedrigeren Schweregrad der Schlaflosigkeit. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Läufer eine höhere Schlafeffizienz hatten, mit einem erhöhten Anteil an tiefem Schlaf der Stufe 3 und REM-Schlaf und einem geringeren Anteil an leichterem Schlaf der Stufe 1 (Kalak et al.). - Distanzlauf etwa vier bis sechs Stunden vor dem Einschlafen wird nicht empfohlen, da dies den Schlaf beeinträchtigen kann (Youngstedt).11 Daher sollte man morgens oder früher am Tag laufen, um möglichen Schlaf zu erhalten Leistungen. Die Verbesserung der Schlafqualität, die mit einer Übung wie dem Langstreckenlauf verbunden ist, könnte vielleicht den Schlafbedarf reduzieren. Diese kürzere Schlafzeit könnte den Menschen mehr Zeit geben, ihren Verpflichtungen nachzukommen, und sie könnten sich aufgrund der geringeren Zeitbeschränkungen möglicherweise eher dazu neigen, weiter Sport zu treiben.

Langstreckenlauf bietet auch physiologische Vorteile für den menschlichen Körper. Das Training stimuliert nicht nur das Herz, die Atemwege und das Gehirn, sondern reduziert auch die kardiovaskuläre Mortalität.3 Laut einer Studie hatten erwachsene Männer, die unabhängig von Zeit und Distanz gelaufen waren, ein um 30 bzw. 45 % geringeres angepasstes Risiko der kardiovaskulären Gesamtmortalität.3 Tatsächlich führten Patienten, die sich von Herzinfarkten in Rehabilitationszentren in Toronto und Honolulu erholten, aufgrund des geringeren Risikos einer tödlichen koronaren Herzkrankheit im Zusammenhang mit dem Marathonlauf ein Marathontraining durch, um sich zu erholen. Die Einbeziehung des Marathontrainings durch die Betonung, dass der „Patient“ tatsächlich ein „Sportler“ war, steigerte auch die Motivation zur Erholung (Bassler)12. Darüber hinaus identifizierte Eliot Joslin in den 1920er Jahren Bewegung als Bestandteil einer guten Diabetestherapie. Sport hat auch „das Potenzial, das Plasmainsulin zu reduzieren“ und „die Stoffwechselkontrolle, die Insulinsensitivität, die Glukosetoleranz und die Effizienz des Kreislaufsystems zu verbessern“. für eine 165-Pfund-Person, die 30 Minuten lang 10 km/h läuft (Kalorien verbrennen). Die Fülle an physiologischen Vorteilen, die Langstreckenlauf bietet, sollte für Menschen in Betracht gezogen werden, die heute regelmäßig Sport treiben. Langstreckenlauf ist so vorteilhaft, dass seine physiologischen Auswirkungen auf die Gesundheit lebensverändernd und potenziell lebensrettend sind.

Tatsächlich haben mehrere Studien bewiesen, dass regelmäßiges Laufen den physiologischen Vorteil einer erhöhten Lebenserwartung bietet. Beispielsweise zeigte die Studie an erwachsenen Männern, die liefen und ein geringeres adjustiertes Risiko für kardiovaskuläre Gesamtmortalität hatten, dass die Lebenserwartung der Männer auch um drei Jahre verlängert war.3 Forscher, die am Copenhagen City Heart teilnahmen, fanden heraus, dass dänische Männer und Frauen Jogger hatten im Vergleich zu Nichtjoggern eine um 44% reduzierte Sterblichkeitsrate, zusammen mit einer Verlängerung der Lebenserwartung von 6,2 Jahren für Männer und 5,6 Jahren für Frauen. Allerdings ist zu beachten, dass der Nutzen einer erhöhten Lebenserwartung durch Laufen nicht erreicht wird, wenn man extrem daran teilnimmt. Dr. Schnohr, der Leiter der Studie, stellt fest: „Der Zusammenhang sieht sehr ähnlich aus wie Alkoholkonsum“ (Joggen).14 Moderater Alkoholkonsum kann tatsächlich die Lebensdauer verlängern, was Dr. Schnohr mit der Wirkung mäßigen Laufens auf die Gesundheit der Menschen vergleicht. Mäßiges Laufen gilt laut einer Reihe von Studien als Teilnahme an der Übung von etwa zwei bis drei Stunden pro Woche (Laufen zu viel). in jungen Jahren.

Obwohl Ausdauerlauf dem Menschen physiologische Vorteile gebracht hat, bestehen weiterhin medizinische Risiken, von denen viele kurzfristig sind. In einer Überprüfung medizinischer Probleme von Marathonläufern wurden folgende Komplikationen festgestellt. Läufer zeigten Muskel-Skelett-Probleme wie Krämpfe, Blasen und akute Knöchel- und Knieverletzungen. Diese Läufer berichteten auch über Magen-Darm-Probleme wie Blähungen, Krämpfe, Übelkeit, Erbrechen, Durchfall und Stuhlinkontinenz. Diese Magen-Darm-Probleme sind auf die Abnahme der Durchblutung in diesen Bereichen und die Zunahme der Durchblutung der Muskeln zurückzuführen, die zum Laufen verwendet werden. Diese Umlenkung des Blutflusses der arbeitenden Muskeln kann auch die Nierendurchblutung verringern, wodurch die Konzentrationsaktivitäten der Nieren beeinträchtigt werden. Läufer haben auch die Möglichkeit eines belastungsinduzierten Bronchospasmus (EIB), einer Lungenkomplikation, die den Luftstrom fünf bis fünfzehn Minuten nach Beginn des Trainings unterbricht. All diese Probleme sind definitiv besorgniserregend, jedoch ist der trainingsassoziierte Kollaps (EAC) das häufigste kurzfristige Problem, das Langstreckenläufer gezeigt haben. Tatsächlich ergab eine 12-Jahres-Studie, dass 59 % der medizinischen Zeltbesuche beim Marathon auf EAC zurückzuführen waren. EAC resultiert typischerweise aus Hitzeerschöpfung, die mit Kopfschmerzen, extremer Müdigkeit, Übelkeit, Erbrechen, Schwindel und starkem Schwitzen einhergeht (Sanchez, Corwell & Berkhoff). Jede Art von Bewegung kann Risiken für den Körper bergen, insbesondere bei hoher Intensität. Daher sollte man sich solche kurzfristigen Risiken vor dem Langstreckenlauf bewusst sein, um Zugang zu einer angemessenen medizinischen Versorgung zu erhalten oder sich darauf vorzubereiten, falls solche Probleme bestehen bleiben.

Diese kurzfristigen Probleme sind möglicherweise nicht vermeidbar, aber bestimmte Faktoren können erklären, warum ein erhöhtes Risiko für die Entwicklung solcher Probleme besteht. Bei der Untersuchung medizinischer Probleme bei Marathons korrelierte die Anzahl der pro Woche trainierten Kilometer umgekehrt mit der Verletzungshäufigkeit.16 Mit anderen Worten, weiteres Training reduziert das Risiko kurzfristiger Probleme und diejenigen, die weniger trainieren, tragen eine größere Risiko. Umweltfaktoren können auch die Wahrscheinlichkeit bestimmen, auf Probleme nach dem Marathon zu stoßen. Wer einen Frühjahrsmarathon plant, muss im Winter trainieren. Die Zunahme der Hitze zwischen den Jahreszeiten könnte es dem Läufer erschweren, sich an die Bedingungen anzupassen. Zum Beispiel nehmen Läufer bei wärmerem Wetter möglicherweise nicht die richtige Menge an Flüssigkeit zu sich, die ihr Körper zum Laufen benötigt, und könnten infolgedessen dehydrieren. Dehydration wiederum kann das Risiko für Magen-Darm-Probleme und EAC verschlimmern oder erhöhen. Glücklicherweise sind diese Probleme kurzfristig und können innerhalb weniger Tage behoben werden. Sie neigen auch dazu, sich allein durch Ruhe zu lösen.16 Diese Faktoren sind wichtig zu berücksichtigen, wenn man plant, an Langstreckenrennen wie Marathons teilzunehmen sich große Sorgen um sie machen.

Auch für Langstreckenläufer bestehen Risiken von langfristigen körperlichen Verletzungen. Insbesondere Langstreckenläufer neigen aufgrund des von ihnen verwendeten Rückfuß-Auftrittsmusters dazu, eine Knochenbelastungsverletzung (BSI) in langen Knochen wie der Tibia, Fibula und Femur zu entwickeln. Darüber hinaus können Läufer BSI im Becken und in der Lendenwirbelsäule entwickeln. Dieser Zustand macht den Knochen nicht in der Lage, wiederholten mechanischen Belastungen standzuhalten, was zu struktureller Ermüdung und lokalisierten Knochenschmerzen und -empfindlichkeit führt (Warden, Davis, & Fredericson).17 Zwischen einem Drittel und zwei Dritteln der wettbewerbsfähigen Langlauf- und Langstreckenläufer dieser BSI-Zustand.17 Man kann entweder als Niedrig- oder Hochrisikopatienten klassifiziert werden, wobei die Hochrisiko-BSI-Patienten anfälliger für einen vollständigen Knochenbruch sind. Darüber hinaus hängt die Behandlung der Erkrankung von der Klassifikation ab. Beide Ansätze beinhalten jedoch eine vorübergehende Unterbrechung des Laufens, eine Änderung des Trainingsplans und eine allmähliche Rückkehr zum Training.17 Obwohl BSI eine behandelbare Erkrankung sein kann, kann Langstreckenlauf negative Folgen haben für die Teilnehmer der Aktivität sollten daher die Auswirkungen berücksichtigt werden, wenn die Teilnahme an der Übung in Betracht gezogen wird.

Studien weisen jedoch darauf hin, dass Langstreckenläufer solche physiologischen Langzeitverletzungen und Risiken vermeiden können. Neuere Forschungen haben beispielsweise gezeigt, dass häufige Langstreckenläufer, wie Marathon- und Cross-Country-Läufer, weniger anfällig für diese Verletzungen sind als Anfänger, Freizeit- oder sogar Wettkampfläufer.17 Mit anderen Worten, je mehr ein Athlet trainiert seines Körpers, desto geringer ist das Risiko, bei einem langen Rennen Muskel-Skelett-Verletzungen zu erleiden stärkere Muskeln, die diese Knochen schützen.6 Tatsächlich haben klinische Studien bewiesen, dass Muskelgröße und -kraft direkt mit der Anfälligkeit für BSI zusammenhängen.17 Andere Faktoren im Zusammenhang mit Trainingsprogrammen wie Schuhtyp, Einlagen und Oberflächentyp beeinflussen das Risiko ebenfalls.17 Individuelle Überlegungen wie Alter, Body-Mass-Index (BMI), Diät und Ernährung, endokriner Status und Hormone, körperliche Aktivität in der Vorgeschichte, Knochenerkrankungen und Medikamente, die die Knochen beeinflussen, modifizieren die Fähigkeit zur auch für die Knochen.17 Die Kombination von Faktoren, die die auf die Knochen ausgeübte Belastung verändern, und Faktoren, die die Fähigkeit der Knochen verändern, bestimmt die eigene Anfälligkeit.17 Andere Risikofaktoren bleiben jedoch unbewiesen, die möglicherweise mit der Rolle der Genetik oder Spezifität zu tun haben vererbte Eigenschaften haben bestimmte Fähigkeiten von Läufern (Inzidenz, Risikofaktoren und Prävention).18 Dennoch ist immer noch bekannt, dass der Mensch bestimmte erbliche Eigenschaften angepasst hat, die ihn zu einer athletischeren Spezies gemacht haben.1 Wege zur Bekämpfung langfristiger physiologischer Risiken im Zusammenhang mit dem Langstreckenlauf müssen berücksichtigt werden, wenn man in Zukunft an der Übung teilnehmen möchte, um Erkrankungen wie dem BSI zu vermeiden. Darüber hinaus können die Menschen, wenn sie ein angemessenes Trainingsprogramm praktizieren und ihre individuelle Geschichte und Fähigkeiten berücksichtigen, den maximalen Nutzen aus dem Langstreckenlauf ziehen.

Moderne Menschen haben Eigenschaften wie längere Gliedmaßen geerbt, die sie zu effizienteren Läufern machen, aber langsameres Langstreckenlaufen ist weit verbreitet geblieben. Einer Quelle zufolge wurde Joggen „in den 1970er Jahren populär, als Männer mittleren Alters mit dem Laufen begannen, um ihr Risiko für Herzinfarkte und Schlaganfälle zu verringern“. Einige dieser Männer, die an der Übung teilnahmen, starben jedoch, was die Frage aufwarf, ob ein solches Laufen für den Körper zu anstrengend war erhebt euch. Running USA berichtete, dass die Teilnahme an Marathons zwischen 2010 und 2011 um 2,2 % gestiegen ist (Hat der Marathon-Boom seinen Höhepunkt erreicht?).19 Das Unternehmen gab auch an, dass es in den Vereinigten Staaten im Jahr 2008 insgesamt 425.000 Marathonläufer gab, ein Anstieg um 20 Prozent gegenüber Anfang des Jahrzehnts (Parker-Pope).20 Insgesamt gibt es in den USA schätzungsweise 30 Millionen Läufer und 1.800 Laufclubs (Plack).21 Sowohl die physiologischen als auch die psychologischen Auswirkungen der Übung könnten ihre allgegenwärtig und immer beliebter. Vielleicht sind es die Vorteile, die diese körperliche Aktivität mit sich gebracht hat, die dazu beigetragen haben, ihre Verbreitung nicht nur seit den 1970er Jahren, sondern auch seit Tausenden von Jahren davor aufrechtzuerhalten. So werden auch weiterhin kommunale Langstreckenrennen wie 5k, Halbmarathon und Marathon stattfinden und diesem Aufwärtstrend folgen.

Langstreckenlauf wird seit Jahrtausenden von Menschen praktiziert und formt und entwickelt ihre anatomische Struktur.Laufen hat nachweislich sowohl physiologische als auch psychologische Wirkungen, von denen viele nachweislich die menschliche Gesundheit verbessern. Die menschliche Gesundheit ist ein immer präsentes Anliegen, und körperliche Bewegung ist notwendig, um einen aktiven Lebensstil aufrechtzuerhalten. Daher ist Langstreckenlauf ein beliebter Sport mit erheblichen gesundheitlichen Vorteilen, der eine Vielzahl von Gesundheitsproblemen wie Fettleibigkeit und Depressionen anspricht. Die Integration von Langstreckenläufen in den Alltag kann solche Erkrankungen verhindern und behandeln und sich sogar als lebensverändernd erweisen.

1. Reynolds G. 2013. Menschen haben eine Geschichte des Laufens, große Gehirne. Pittsburgh Post – Gazette.

2. Bewegungsmangel. 2013. Derby-Abend-Telegraph4.

3. Lee DC, Pate RR, Lavie CJ, Sui X, Church TS, Blair SN. 2014. Laufen in der Freizeit reduziert das Gesamtmortalitätsrisiko und das kardiovaskuläre Sterblichkeitsrisiko. J. Am. Coll. Cardiol64(5):472-81.

4. Bramble DM und Lieberman DE. 2004. Ausdauerlauf und die Evolution des Homo. Natur432(7015):345-52.

5. 2008. The Runner’s High: Opioderge Mechanismen im menschlichen Gehirn. Großhirnrinde18(11): 2523-2531.

6. Roth S. 2011. Die Vorteile des Laufens. McClatchy - Tribüne Wirtschaftsnachrichten.

7. Bauman A. 2000. Laufen hebt Depressionen auf. Läuferwelt: 19.

8. Burish TG, Sementilli ME, Västerling JJ. 1988. Die Rolle von Aerobic-Übungen bei der Reduzierung von Stress bei Diabetikern. The Diabetes Educator 12(3): 197-201.

9. Rabian BA, Berman ME, Broman-Fulks JJ, Webster MJ. 2004. Auswirkungen von Aerobic-Übungen auf die Angstempfindlichkeit. Verhaltensforschung und Therapie 42(2): 125-126

10. Kalak N, Gerber M, Roumen K, Mikoteit T, Yordanova J, Puhse Uwe, Holsboer-Trachsler E, Brand S. 2012. Tägliches morgendliches Laufen für 3 Wochen verbessert den Schlaf und die psychologische Funktionsfähigkeit bei gesunden Jugendlichen im Vergleich zur Kontrollgruppe. Zeitschrift für Jugendgesundheit 51(6): 615-622

11. Youngstedt SD, Kline CE. 2006. Epidemiologie von Bewegung und Schlaf. Schlaf und biologische Rhythmen 4(3): 215-221

12. Bassler TJ. 1975. Lebenserwartung und Marathonlauf. Das American Journal of Cardiology 36(3): 410-411

13. Kalorien verbrennen. 2009. Air Force-Zeiten: 32.

14. Joggen „erhöht die Lebenserwartung“. 2012. BreakingNews.Ie.

15. Zu viel Laufen kann deine Lebensdauer verkürzen. Kaschmir-Monitor. 04.04.2014

16. Sanchez LD, Corwell B, Berkoff D. 2006. Probleme von Marathonläufern. American Journal of Emergency Medicine 24: 608-615

17. Warden SJ, Davis IS, Fredericson M. 2014. Management und Prävention von Knochenbelastungsverletzungen bei Langstreckenläufern. Zeitschrift für Orthopädische und Sportphysiotherapie 44 (1): 749-765.

18. Tonoli DC, Cumps E, Aerts I, Verhagen E, Meeusen R. 2010. Inzidenz, Risikofaktoren und Prävention von laufbedingten Verletzungen beim Langstreckenlauf: Eine systematische Übersicht über Verletzung, Ort und Art. Sport & Geneeskunde 43(5): 12-18.

19. Hat der Marathon-Boom seinen Höhepunkt erreicht? 26. Februar 2013. Runner’s World.

20. Parker-Pope T. 2009. Der menschliche Körper ist auf Distanz ausgelegt. New York Times.

21. Plack L. 2015. Kann Laufen Arthrose verursachen?. ACSM Gesundheits- und Fitness-Journal 19(1) 23-28


Methoden

Tiere und Datenerfassung

Alle Daten wurden im Adventdalen-Tal (78°13′18″N, 15°38′30″E) und den umliegenden Seitentälern des Spitzbergen-Archipels im Frühjahr, 22. April bis 4. Mai 2017, erhoben. der Boden ist schneebedeckt und das Tageslicht dauert 24 Stunden pro Tag. Spitzbergen Schneehühner waren bereits im Sommergewicht [74]. Männliche Vögel wurden mit einem Fernglas gesichtet, identifiziert durch ihre charakteristischen Rufe und sekundären Geschlechtsmerkmale, rote supraorbitale Kämme und dicke schwarze Augenstreifen. Vögel waren im Allgemeinen in der Nähe der Ausläufer oder in der Nähe klarer Stellen, an denen Nahrung zugänglich ist. Orte, an denen einzelne Vogeldaten gesammelt wurden, wurden GPS-markiert und nur einmal verwendet, um eine Pseudoreplikation so weit wie möglich zu minimieren.

Wir haben Videos (25fps, SONY® Handycam, HDR-XR250, SONY® Corporation, Japan) mit der Kamera parallel und in einer festen Höhe und Position relativ zu den Vögeln aufgenommen (n = 50) über ebenes, schneebedecktes Gelände fahren bei selbstgewähltem U. Nach dem Filmen, als sich der Vogel außerhalb der Aufnahmeposition bewegt hatte, wurde die Kamera aufzeichnen gelassen, in ihrer Position belassen und ein 1-m-Skalabalken wurde dann über jeder Spur gehalten, damit er auf der Videoaufnahme sichtbar war, um die tatsächliche Geschwindigkeit zum Vergleich mit zu bestimmen das aus den Gleisen berechnet. Die Vogelgeschwindigkeiten wurden berechnet, indem die Videos mit dem Programm Tracker® v. 5.0.5 (Open Source Physics) analysiert wurden, um die Geschwindigkeit als die zurückgelegte Entfernung für eine bestimmte Zeit zu berechnen. Nur Aufnahmen, bei denen sich der Vogel stetig bewegte, wurden in die Studie eingeschlossen. Um die Vorhersage der selbstgewählten Geschwindigkeit zu erleichtern (U) mit Schrittlänge (lschreiten) wurde nach dem Filmen aus ca. 1,5 m direkt über den Gleisen ein Foto von jedem Gleis aufgenommen, einzelne Schritte wurden entsprechend dem genauen Gleisbereich, in dem die Videoaufzeichnung gemacht wurde, dokumentiert. Trackway-Fotos wurden für einen direkten Vergleich zwischen der Geschwindigkeit aus dem Video und der Trackway-Schrittlänge verwendet (lschreiten). Der Mittelwert von lschreiten wurde mit Image J v.1.50i von 1 bis 5 Schritten gemessen. Daten aus der aktuellen Studie wurden zuvor auch verwendet, um die Unterschiede zwischen der Bewegungskinematik von frei beweglichen Schneehühnern im Feld und aus Laborlaufbandstudien zu untersuchen (siehe [1]).

Datenanalysen

Die Beziehung zwischen kinematischen Beinparametern und U unterscheidet sich (d. h. die inkrementelle Änderung von ja mit x) je nach Gangart (z. B. [11, 13, 18, 75, 76]). Daher wurden hier die Gangarten Gehen, Bodenlaufen und Luftlauf getrennt analysiert. In einer früheren Studie [1] wurde die Beziehung zwischen lschreiten und U wurde für frei lebende männliche Spitzbergen-Schneehuhn bestimmt. Hier wurden die gleichen Daten verwendet, aber diesmal U wurde die abhängige Variable und lschreiten die unabhängige Variable, um eine gangspezifische prädiktive Beziehung zu erzeugen (Abb. 1a). Die Stichprobengrößen waren n = 48 zum Gehen, n = 56 für geerdeten Lauf und n = 61 Antenne läuft. Shapiro-Wilks-Tests wurden mit den Residuen der drei Regressionen durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Daten einer Normalverteilung angenähert wurden, was in jedem Fall der Fall war. Um die Geschwindigkeit mit Modellen von Alexander [10] und Thulborn und Wade [23] zu schätzen, ist es notwendig, die Hüfthöhe (h) für das Schneehuhn. Leider konnten wir die Vögel nicht fangen, deshalb haben wir die Hüfthöhenschätzung von 172,7 mm der Literatur entnommen [19]. Um die Genauigkeit von Vorhersagen von zu beurteilen U Abgeleitet aus den drei Regressionsmodellen für die 50 Vögel, deren Daten in dieser Studie erhoben wurden, schätzten wir den Fehlerprozentsatz (Abb. 2) wie folgt ab:

Wo vorhergesagt U ist die Schätzung, die aus der Linie der besten Anpassung basierend auf den Daten von Marmol-Guijarro, Nudds [1] abgeleitet und gemessen wurde U bezieht sich auf die Geschwindigkeit, die sich aus den 50 neuen Videoaufnahmen ergibt. Alle Analysen wurden in R v. 3.5.2 „Eggshell Iglu“ [77] durchgeführt.


Schau das Video: No skelettet (Kann 2022).