Biomechanics and body shape in primates compared with horses

Abstract

Summary: From a mechanical viewpoint, walking is based on alternating functions fulfilled by the extremities: as an inverse pendulum in the stance phase and as a suspended pendulum in the swing phase. In cursorial mammals - the horse is taken as a typical representative - the extremities primarily transmit compressive forces on the substrate, and to a limited extent friction. For driving the pendulum, elastic elements may be used, which is of special importance in the trot. Overall body shape, that is proportions and mass distribution, of cursorial mammals can be interpreted as adaptations to economic and moderately fast, low energy steady-state walking or trotting on a two-dimensional substrate. Primates, however, are characterized by their ability to exert tensile forces and rotating moments on their substrates. Prerequisites for this are strong digital muscles in the autopodia and in the forearm and the lower leg, needed to control the prehensile hands and feet. The existence of these heavy muscles precludes the acquisition of some adaptations, (the elongation of the distal segments, combined with a minimum of weight) which exist, for example, in horses. This holds true in spite of the fact that the locomotor speciality of the primates, namely climbing, is no more than a variant of walking, which, however, occurs on substrates extending in three, rather than two dimensions. The similarities and dissimilarities of body shapes and locomotor behaviours are related to the respective biomechanical conditions in primates and cursorial mammals. Zusammenfassung: Physikalisch gesehen, beruht das Gehen auf dem Wechselspiel zwi schen dem ?inversen, stehenden Pendel, das die Extremitaten in der Standphase darstellen und dem ?hangenden Pendel, das sie in der Vorschwungphase bilden. Bei den Lauftieren (cursorial mammals), als deren Reprasentant hier das Pferd herangezogen wird, iibertragen die Extremitaten in erster Linie Druckkrafte auf das Substrat der Lokomotion, und nur in begrenztem Umfang Reibung. Zum standig wiederholten Anregen der Pendelschwingungen konnen elastische Elemente eingesetzt werden, was besonders im Trab geschieht. Die allgemeine Korperform, d.h. die Proportionen und die Massenverteilung von Lauftieren konnen als Adaptationen an energiesparende, ausdauernde, aber nicht unbedingt schnelle Lokomotion auf zweidimensionalen Substraten (Oberflachen) verstanden werden. Primaten sind dadurch ausgezeichnet, da? sie bei der Fortbewegung Zugkrafte und Momente auf ihr Substrat iibertragen konnen. Die Voraussetzung dafur besteht in starken Zehen- und Finger Beugemuskeln an Unterschenkel und Unterarm zur Kontrolle der Greifhande und -fufte. Das Vorhandensein dieser schweren Muskeln schliefk aber bestimmte Anpassungen aus, die z.B. bei Pferden vorhanden sind (Verlangerung der distalen Segmente bei minimiertem Gewicht). Das gilt auch, obgleich die lokomotorische Spezialitat der Primaten schlechthin, namlich das Klettern, meistens nichts anderes darstellt als eine Variante des Gehens - wenn auch auf Substraten, die sich in 3, nicht in 2 Dimensionen erstrecken. Die Uberein stimmungen und die Unterschiede im Korperbau und Bewegungsverhalten zwischen Primaten und Lauftieren werden auf die mechanischen Gegebenheiten zuriickgefiihrt.

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