hochkant=1.2|mini|Eine Büffel-Figur mit Rädern – wahrscheinlich ein Kinderspielzeug – aus Magna Graecia im archaischen Griechenland Mehrere Organismen sind in der Lage, sich rollend fortzubewegen. Echte Räder und Propeller spielen jedoch – trotz ihrer Nützlichkeit in menschlichen Fahrzeugen – bei der Fortbewegung von Lebewesen keine nennenswerte Rolle (mit Ausnahme der korkenzieherartigen Geißeln vieler Prokaryoten). Biologen haben mehrere Erklärungen für das offensichtliche Fehlen von biologischen Rädern angeboten, und Kreaturen mit Rädern sind in der spekulativen Fiktion häufig aufgetaucht.

In manchen tierischen Organismen haben sich rotierende Strukturen gebildet, u. a. ein kristalliner Stiel bei Muscheln und Schnecken oder die bereits genannten Geißeln von Bakterien.

Bekannte Fälle von Rotation in der Biologie Es gibt zwei verschiedene Arten der Fortbewegung durch Rotation: erstens das einfache Rollen und zweitens die Verwendung von Rädern oder Propellern, die sich um eine Achse oder Welle relativ zu einem festen Körper drehen. Während viele Lebewesen die erste Art der Fortbewegung nutzen, ist die zweite auf mikroskopisch kleine Einzeller beschränkt. hier S. 396.

Angesichts der Allgegenwart von Rädern in der menschlichen Technologie und der Existenz biologischer Analoga vieler anderer Technologien (wie Flügel und Linsen) scheint das Fehlen von Rädern in der Natur für viele Wissenschaftler erklärungsbedürftig zu sein – und das Phänomen lässt sich im Wesentlichen durch zwei Faktoren erklären: Erstens gibt es mehrere entwicklungs- und evolutionsbedingte Hindernisse für die Entstehung eines Rades durch natürliche Selektion, und zweitens haben Räder im Vergleich zu anderen Fortbewegungsmitteln (wie Gehen, Laufen, Hüpfen oder Schlängeln) in der natürlichen Umgebung mehrere Nachteile, die ihre Evolution eher ausschließen. Dieser umweltspezifische Nachteil hat auch dazu geführt, dass Menschen in bestimmten Regionen mindestens einmal in der Geschichte auf das Rad verzichtet haben.

Rollen hochkant=1.2|mini|Das Steppenschuppentier (Manis temminckii) in einer Verteidigungshaltung, in der es rollen kann Einige Organismen nutzen das Rollen zur Fortbewegung. Bei diesen Beispielen handelt es sich nicht um die Verwendung eines Rades, da sich der Organismus als Ganzes dreht und nicht aus einzelnen Teilen besteht, die sich unabhängig voneinander drehen.

Mehrere Arten länglicher Organismen formen ihren Körper zu einer Schleife, um sich zu rollen, darunter bestimmte Raupen, z. B. die des Nesselzünslers (sie tun dies, um Gefahren zu entgehen), Larven des Tigerkäfers (Cicindelidae), Tausendfüßler, Fangschreckenkrebse, Rollasseln und Mount-Lyell-Salamander (Hydromantes platycephalus). Andere Arten nehmen eine eher kugelförmige Haltung ein, vor allem um ihren Körper vor Fressfeinden zu schützen; diese Haltung wurde bei Schuppentieren, Radspinnen (Carparachne aureoflava), Stacheligeln, Gürteltieren, Panzergürtelschweifen, Asseln und versteinerten Trilobiten beobachtet. Bei Schuppentieren und Radspinnen wurde beobachtet, dass sie sich absichtlich vor Fressfeinden wegrollen. Diese Arten können passiv (unter dem Einfluss der Schwerkraft oder des Windes) oder aktiv rollen, typischerweise durch Veränderung ihrer Form, um eine Antriebskraft zu erzeugen.

Chamaechorien sind die oberirdischen Teile bestimmter Pflanzen, die sich von ihrer Wurzelstruktur lösen und sich im Wind drehen, um ihre Samen zu verbreiten. Diese Pflanzen sind vor allem in einer offenen Ebene zu finden. Zu den bekanntesten gehört das Ruthenische Salzkraut, auch als Salsola tragus, Kali tragus, stachelige russische Distel bekannt,Natural Resources Conservation Service. Salsola tragus. PLANTS Database. United States Department of Agriculture (USDA) das im späten 19. Jahrhundert nach Nordamerika kam und sich einen Ruf als schädliches Unkraut erwarb. Es ist bekannt, dass Boviste (Pilze der Gattung Bovista) die gleiche Strategie anwenden, um ihre Sporen zu verbreiten.

Rädertierchen sind ein Stamm mikroskopisch kleiner, aber vielzelliger Tiere, die typischerweise im Süßwasser leben. Obwohl der lateinische Name rotifer Rädertier bedeutet, haben diese Organismen keine rotierenden Strukturen, sondern einen Ring rhythmisch schlagender Flimmerhärchen, die der Ernährung und dem Antrieb dienen.

Keratinozyten, eine Art von Hautzellen, wandern während des Wundheilungsprozesses mit einer rollenden Bewegung. Diese Zellen dienen dazu, eine Barriere gegen Krankheitserreger und Feuchtigkeitsverlust durch verwundetes Gewebe zu bilden.

Mistkäfer bilden kugelförmige Bälle aus tierischen Exkrementen, die sie mit ihrem Körper rollen, indem sie im Allgemeinen rückwärts gehen und den Ball mit den Hinterbeinen schieben. Phylogenetische Analysen deuten darauf hin, dass sich dieses Rollverhalten mehrmals unabhängig voneinander entwickelt hat. Das Verhalten dieser Käfer wurde in der altägyptischen Kultur beobachtet, die ihren Aktivitäten eine heilige Bedeutung beimaß. Obwohl nicht der Käfer selbst, sondern die Mistkugel rollt, sind die Käfer mit vielen der gleichen mechanischen Schwierigkeiten konfrontiert, mit denen rollende Organismen zu kämpfen haben.

Freie Rotation Makroskopisch

Unter den Tieren gibt es ein einziges bekanntes Beispiel für eine scheinbar frei rotierende Struktur, die allerdings eher der Verdauung als dem Antrieb dient: der Kristallstiel bestimmter Muscheln (Bivalvia) und Schnecken (Gastropoda).online Der Stiel besteht aus einem durchsichtigen Glykoproteinstäbchen, das in einem mit Flimmerhärchen ausgekleideten Sack kontinuierlich geformt ist und in den Magen hineinragt. Die Flimmerhärchen drehen das Stäbchen, so dass es in Schleimfäden eingewickelt wird. Während sich das Stäbchen im Magen langsam auflöst, setzt es Verdauungsenzyme frei. Die Schätzungen über die Rotationsgeschwindigkeit des Stiels in vivo schwanken erheblich, und es ist unklar, ob der Stiel kontinuierlich oder intermittierend rotiert.

Mikroskopisch Es gibt zwei bekannte Beispiele für rotierende Strukturen auf molekularer Ebene, die von lebenden Zellen genutzt werden. Die erste, die ATP-Synthase, ist ein Transmembranenzym, das in allen bekannten Organismen bei der Energiespeicherung und -übertragung eingesetzt wird. Die Elektronentransportkette (ETC) stellt bei Prokaryoten einen Protonengradienten durch die Zellmembran und bei Eukaryoten durch den Intermembranraum der Mitochondrien her, so dass sich Protonen außerhalb der Zelle (oder im Intermembranraum der Mitochondrien) ansammeln. Dies ermöglicht den energetisch günstigen Transport von Protonen durch die Membran in das Zytoplasma (oder die mitochondriale Matrix) durch spezielle Untereinheiten der ATP-Synthase, deren anschließende Rotation die Umwandlung von Adenosindiphosphat (ADP) in Adenosintriphosphat (ATP) – das Energiespeichermolekül – durch Zugabe eines anorganischen Phosphats (Pi) bewirkt. Der Mechanismus der Rotation weist einige Ähnlichkeiten mit den weiter unten besprochenen Flagellarmotoren auf.

Man geht davon aus, dass die ATP-Synthase durch Mosaikevolution entstanden ist, bei der zwei Untereinheiten mit eigenen Funktionen miteinander verbunden wurden und eine neue Funktion erhielten.

mini|links|hochkant=0.8|Modell der Basis einer bakteriellen Geißel, ein echtes biologisches Beispiel für eine frei rotierende Struktur Das einzige bekannte Beispiel für ein biologisches „Rad“ oder einen „Propeller“ – ein System, das in der Lage ist, ein kontinuierliches Drehmoment um einen festen Körper zu erzeugen – ist das Flagellum, auch Geißel genannt, ein korkenzieherartiger Schwanz, der von einzelligen Prokaryoten für den Antrieb verwendet wird. Das bakterielle Flagellum ist das bekannteste Beispiel. Etwa die Hälfte aller bekannten Bakterien verfügt über mindestens eine Geißel; angesichts der Allgegenwart von Bakterien könnte die Rotation also tatsächlich die häufigste Form der Fortbewegung sein, die von lebenden Systemen genutzt wird – auch wenn sie auf die mikroskopische Umgebung beschränkt ist.

An der Basis der bakteriellen Geißel, wo sie in die Zellmembran eintritt, wirkt ein Motorprotein als Rotationsmotor. Der Motor wird durch die Protonenmotivationskraft angetrieben, d. h., durch den Fluss von Protonen (Wasserstoffionen) durch die bakterielle Zellmembran aufgrund eines Konzentrationsgefälles, das durch den Stoffwechsel der Zelle entsteht. (Bei den Arten der Gattung Vibrio gibt es zwei Arten von Geißeln, laterale und polare, und einige werden durch eine Natriumionenpumpe statt einer Protonenpumpe angetrieben.) Die Geißeln sind sehr effizient und ermöglichen es den Bakterien, sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 60 Zelllängen pro Sekunde zu bewegen. Der Rotationsmotor an der Basis der Geißel ist ähnlich aufgebaut wie die ATP-Synthase. Spirillen, Bakterien der Gattung Spirillum, haben schraubenförmige Körper mit Geißeln an beiden Enden, und sie drehen sich um die zentrale Achse ihres Körpers, während sie sich durch das Wasser bewegen.

Archaeen, eine von den Bakterien getrennte Gruppe von Prokaryoten, verfügen ebenfalls über Geißeln, die von rotierenden Motorproteinen angetrieben werden und sich strukturell und evolutionär von bakteriellen Geißeln unterscheiden: Während sich bakterielle Geißeln aus dem bakteriellen Typ-III-Sekretionssystem entwickelt haben, scheinen sich Archaeen aus Typ-IV-Geißeln entwickelt zu haben.

Einige eukaryotische Zellen, wie das Augentierchen und tierische Spermien, besitzen eine konvergente, evolutionär unterschiedliche geißelartige Struktur, die als Zilie oder Undulipodium bezeichnet wird. Im Gegensatz zu bakteriellen Geißeln drehen sich diese Strukturen jedoch nicht an der Basis, sondern sind so gebogen, dass die Spitze kreisförmig peitscht.

Navicula, eine Kieselalgenart, kann sich mit Hilfe eines Bandes aus frei fließenden Schleimfäden fortbewegen, ähnlich wie ein Raupenfahrzeug.Navicula Diatom: Youtube videoK. I. Umemura, T. Haneda, M. Tanabe, A. Suzuki, Y. Kumashiro, K. Itoga, T. Okano, S. Mayama |Titel=Semi-circular microgrooves to observe active movements of individual Navicula pavillardii cells |Sammelwerk=J Microbiol Methods|Datum=2013 |Band=92 |Nummer=3 |Seiten=349–354 |DOI=10.1016/j.mimet.2013.01.006 |Datum=2013-01-18

Biologische Hindernisse für Organismen mit Rädern Das Fehlen von Rädern in der Natur wird häufig auf biologische Beschränkungen zurückgeführt: Natürliche Auslese schränkt die den Arten zur Verfügung stehenden Evolutionspfade ein, und die Prozesse, durch die vielzellige Organismen wachsen und sich entwickeln, erlauben möglicherweise nicht den Bau eines funktionierenden Rades., hier S. 48

Evolutionäre Beschränkungen mini|hochkant=1.3|Illustration einer Fitness-Landschaft, die den genetischen Fluss von Populationen in Richtung lokaler Optima A, B und C anzeigt. Potenziell vorteilhafte Veränderungen, die einen Abstieg in ein Fitness-„Tal“ erfordern, werden in der Regel durch die natürliche Selektion ausgeschlossen. Der Evolutionsprozess kann erklären, warum sich die Fortbewegung auf Rädern bei mehrzelligen Organismen nicht entwickelt hat, nämlich weil sich eine komplexe Struktur oder ein komplexes System nicht weiterentwickeln kann, wenn seine Form unvollständig ist, um die Gene des Organismus zu verbreiten.