Trinken ohne Schöpfen
Wer einer Katze beim Trinken zusieht, meint, ihre Zunge schöpfe das Wasser wie ein Löffel. Hochgeschwindigkeitskameras zeigen etwas ganz anderes. 2010 filmten Pedro Reis, Sunghwan Jung, Jeffrey Aristoff und Roman Stocker trinkende Hauskatzen und fanden einen raffinierten Mechanismus: Die Katze schöpft überhaupt nicht. Stattdessen haftet das Wasser an der Oberseite der Zunge, und die Katze nutzt die Trägheit des Wassers, um die Schwerkraft zu überwinden, und zieht es so ins Maul 1.
Warum überhaupt lecken? Die meisten Tiere trinken durch Saugen 2. Zum Saugen braucht man geschlossene Wangen, damit sich der Druck im Mund senken lässt. Katzen und Hunde haben unvollständige Wangen, die die Seiten des Mauls offen lassen – sie können nicht saugen, und deshalb lecken sie 1 3. Das Lecken ist eine von mehreren Trinkstrategien, die bei Tieren entstanden sind, deren Körperbau das Saugen ausschließt 2.
Die Methode der Katze erweist sich als präzise Physik. Wie schnell sich die Zunge bewegt, wie hoch das Wasser steigt und wann das Maul zuschnappt, bestimmt ein Wettstreit zwischen zwei Kräften: der Trägheit, die das Wasser weiter nach oben bewegt, und der Schwerkraft, die es zurückzieht 1.
Ein Zug in drei Schritten
- Berühren. Die Katze biegt ihre Zungenspitze nach hinten und senkt sie, bis die Oberseite auf der Wasseroberfläche liegt – sie taucht nicht ein 1 4.
- Ziehen. Die Zunge bewegt sich schnell nach oben, beschleunigt mit etwa dem Ein- bis Zweifachen der Fallbeschleunigung und bremst dann ab, wenn sie ins Maul eintritt 3. Das Wasser haftet an der Zunge und wird in einer dünnen Säule mitgezogen 1.
- Zuschnappen. Die Säule steigt noch einen Augenblick weiter, dann gewinnt die Schwerkraft, und sie beginnt zurückzufallen. Die Katze schließt das Maul gerade rechtzeitig und fängt die Spitze der Säule 1.
Biologie-Linse: eine Zunge zum Trinken und Putzen
Katzen und Hunde teilen das Problem der unvollständigen Wangen, und beide lecken 3. Eine Zeit lang nahm man an, dass Hunde anders als Katzen das Wasser mit einer löffelförmigen Zunge schöpfen. Hochgeschwindigkeits- und Röntgenvideos zeigten, dass auch Hunde darauf setzen, dass das Wasser an der Zunge haftet. Im Maul wird die Flüssigkeit auf der Zungenoberfläche nach hinten zum Rachen befördert; Querfalten am Gaumen halten sie fest, während die Zunge wieder nach vorn gleitet. Ein Hund braucht mindestens drei Leckzyklen, um eine Portion Wasser durch das Maul zu befördern 4.
Im Detail gibt es dennoch Unterschiede. Hunde beschleunigen ihre Zunge stärker als Katzen und biegen sie nach hinten, wodurch sie eine größere Wassersäule aus dem Napf ziehen. Sean Gart und Kollegen filmten 19 Hunde: Ihre Zungen verließen das Wasser mit Beschleunigungen vom Ein- bis Vierfachen der Fallbeschleunigung und mit Geschwindigkeiten von 0,7–1,8 m/s. Hunde schnappen genau dann zu, wenn die Säule abreißt – und die große, spritzende Säule erklärt, warum Hunde so unordentlich trinken 3.
Innerhalb der Katzenfamilie scheint der Mechanismus derselbe zu sein. Reis und Kollegen maßen Leckfrequenzen in der Familie der Katzen (Felidae) und fanden sie im Einklang mit einem einzigen physikalischen Modell – ein Hinweis darauf, dass der Mechanismus bei allen Katzen gleich ist 1.
Die Katzenzunge hat noch eine zweite Besonderheit. Sie ist mit spitzen, nach hinten gerichteten Stacheln bedeckt, den Papillen. Alexis Noel und David Hu untersuchten die Zungen von sechs Katzenarten, von der Hauskatze bis zum Löwen – ein 30-facher Bereich des Körpergewichts. Jede Papille hat an der Spitze einen Hohlraum, der von selbst Speichel aufsaugt und ihn beim Putzen an die Haare abgibt 5.
Physik-Linse: Trägheit gegen Schwerkraft
Wenn sich die Zunge von der Oberfläche löst, wird das an ihr haftende Wasser in Bewegung gesetzt. Bewegtes Wasser hat das Bestreben, sich weiterzubewegen – das ist seine Trägheit. Gleichzeitig zieht die Schwerkraft das Wasser zurück in den Napf. Solange die Trägheit überwiegt, steigt die Säule; übernimmt die Schwerkraft, wird sie langsamer, bleibt stehen und fällt zurück. Reis und Kollegen zeigten, dass die Katze genau diesen Wettstreit nutzt: Sie schließt das Maul, bevor die Schwerkraft gewinnen kann 1.
Physiker vergleichen die beiden Effekte mit einer dimensionslosen Kennzahl, der Froude-Zahl:
Dabei ist U die Geschwindigkeit der Zunge, g die Fallbeschleunigung und R die Größe der Zungenspitze. Ist Fr viel größer als 1, überwiegt die Trägheit; ist sie viel kleiner, die Schwerkraft. Das Gleichgewicht der beiden, Fr etwa 1, bestimmt den Rhythmus des Leckens 1.
Zwei weitere Kräfte spielen in der Größenordnung von Katze oder Hund nur eine Nebenrolle. In Experimenten, die eine Hundezunge nachahmten, schätzten Gart und Kollegen Reynolds-Zahlen von etwa 103 bis 104 und Weber-Zahlen von 10 bis 1.000 ab: Zähigkeit und Oberflächenspannung sind klein gegenüber Trägheit und Schwerkraft 3. Bei sehr kleinen Tieren ändert sich das – sie trinken mithilfe feiner Effekte an der Wasseroberfläche, etwa Kapillarkräften 2.
In einem weiteren Punkt unterscheiden sich Katzen und Hunde. Bei Katzen bestimmt die stationäre Trägheit die Bewegung des Wassers: Es kommt vor allem darauf an, wie schnell sich die Zunge bewegt. Hunde beschleunigen ihre Zunge so stark, dass die Beschleunigung selbst eine Rolle spielt – ein instationäres Trägheitsregime, eine Art offene Pumpe, die von der Beschleunigung angetrieben wird 3.
Mathematik-Linse: warum große Katzen nur wenig langsamer lecken
Ein Skalierungsargument sagt voraus, wie die Leckrate von der Körpergröße abhängt. Ausgangspunkt ist das Gleichgewicht von Trägheit und Schwerkraft, Fr ≈ 1:
Ein Zug dauert ungefähr so lange, wie die Zunge braucht, um mit der Geschwindigkeit U eine Strecke von der Größenordnung ihrer eigenen Größe R zurückzulegen. Die Leckfrequenz f ist der Kehrwert dieser Zeit:
Tiere ähnlicher Gestalt wachsen in alle Richtungen gleich: Ihr Volumen und ihre Masse M wachsen wie R3, also wächst R wie M1/3. Eingesetzt ergibt das
Messungen in der Katzenfamilie stützen diese Vorhersage 1, und Hunde folgen demselben Trend 3. Der Exponent −1/6 ist klein: Ein Löwe, der etwa 47,5-mal schwerer ist als eine Hauskatze mit 4 kg, sollte nur 47,51/6 ≈ 1,9-mal langsamer lecken.
Ohne die Schwerkraft im Argument sähe das Ergebnis ganz anders aus. Bewegten alle Katzen ihre Zunge gleich schnell, sänke die Frequenz wie 1/R, also wie M−1/3 – ein Löwe würde 47,51/3 ≈ 3,6-mal langsamer lecken. Größere Zungen bewegen sich schneller, weil eine größere Säule mehr Geschwindigkeit braucht, um die Schwerkraft in Schach zu halten.
Informatik-Linse: ein Skalierungsgesetz in Code
Wie schnell lecken verschiedene Katzenarten im Vergleich zur Hauskatze? Das Programm unten wendet das Skalierungsgesetz der Mathematik-Linse, f ∝ M−1/6, auf sechs Katzen an und vergleicht es mit dem Gesetz, das gälte, wenn die Zungengeschwindigkeit nicht mit der Größe wüchse. Die Körpermassen sind typische Werte zur Veranschaulichung, keine Messungen aus den zitierten Studien, und das Programm gibt Frequenzen relativ zur Hauskatze an, nicht in Zügen pro Sekunde.
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# Typische Körpermassen (kg) – grobe Werte zur Veranschaulichung, keine Messungen
CATS = {"Hauskatze": 4, "Ozelot": 11, "Gepard": 45, "Jaguar": 80, "Löwe": 190, "Tiger": 220}
EXPONENT = -1 / 6 # Frequenz ∝ Masse^EXPONENT: Trägheit im Gleichgewicht mit der Schwerkraft (siehe Mathematik-Linse)
def relative_frequency(mass, reference=CATS["Hauskatze"]):
"""Leckfrequenz relativ zur Hauskatze.
Trägheit und Schwerkraft halten sich die Waage, wenn die Zungengeschwindigkeit U etwa √(g·R) ist
(Froude-Zahl ≈ 1); ein Zug dauert also etwa R/U = √(R/g). Der Zungenradius R wächst bei Tieren
ähnlicher Gestalt wie Masse^(1/3), also Frequenz ∝ √(g/R) ∝ Masse^(−1/6).
"""
return (mass / reference) ** EXPONENT
print("Tier Masse Züge relativ zur Hauskatze")
for name, mass in CATS.items():
print(f"{name:13s} {mass:5d} kg {relative_frequency(mass):5.2f}")
lion = relative_frequency(CATS["Löwe"])
print(f"ein Löwe ist {CATS['Löwe'] / CATS['Hauskatze']:.1f}-mal schwerer, "
f"leckt aber nur {1 / lion:.1f}-mal langsamer")
masses = np.logspace(0, 2.6, 100)
plt.rcParams["font.size"] = 13 # große Schrift: Das Diagramm bleibt auf dem Handy lesbar
fig, ax = plt.subplots(figsize=(6.4, 5.2), layout="constrained")
ax.loglog(masses, relative_frequency(masses), lw=2.5, label="Trägheit gegen Schwerkraft: Masse^(−1/6)")
ax.loglog(masses, (masses / CATS["Hauskatze"]) ** (-1 / 3), "--", lw=1.8,
label="bei gleicher Geschwindigkeit: Masse^(−1/3)")
for name, mass in CATS.items():
below = name == "Tiger" # Löwe und Tiger liegen nah beieinander: eine Beschriftung oben, eine unten
ax.plot(mass, relative_frequency(mass), "o", ms=7, color="black")
ax.annotate(name, (mass, relative_frequency(mass)), textcoords="offset points",
xytext=(-10, -20) if below else (6, 6), fontsize=11)
ax.set_xlabel("Körpermasse (kg)")
ax.set_ylabel("Züge pro Sekunde (Hauskatze = 1)")
ax.set_title("Große Katzen lecken nur wenig langsamer")
ax.set_ylim(0.15, 2.5)
ax.set_yticks([0.2, 0.3, 0.5, 1, 2])
ax.xaxis.set_major_formatter("{x:g}") # einfache Zahlen: 1, 10, 100
ax.yaxis.set_major_formatter("{x:g}")
ax.legend(loc="lower left")
plt.show()
Ausgabe · das gibt der Code aus, bei jedem Build neu ausgeführt
Tier Masse Züge relativ zur Hauskatze Hauskatze 4 kg 1.00 Ozelot 11 kg 0.84 Gepard 45 kg 0.67 Jaguar 80 kg 0.61 Löwe 190 kg 0.53 Tiger 220 kg 0.51 ein Löwe ist 47.5-mal schwerer, leckt aber nur 1.9-mal langsamer
Was das Ergebnis lehrt:
- Die Größe zählt, aber schwach. Ein Löwe ist 47,5-mal schwerer als eine Hauskatze, leckt aber nur 1,9-mal langsamer (relative Frequenz 0,53). Über den ganzen Bereich von der Hauskatze bis zum Tiger ändert sich die Frequenz um weniger als einen Faktor zwei.
- Im Exponenten steckt die Physik. Die gestrichelte Linie zeigt, was geschähe, wenn jede Katze ihre Zunge gleich schnell bewegte: Der Löwe würde nur etwa ein Viertel so oft lecken wie die Hauskatze. Weil die Schwerkraft die Zungengeschwindigkeit festlegt, U ≈ √(gR), bewegen größere Katzen ihre Zunge schneller, und die Frequenz sinkt viel sanfter.
- Ein Modell, keine Messung. Das Programm nutzt eine Proportionalität, keine gemessenen Züge pro Sekunde; die Körpermassen sind grobe typische Werte. Es zeigt die Form des Gesetzes, das Reis und Kollegen an Messungen geprüft haben 1.
Zwei Programmierideen lohnen einen Blick:
- Relative Werte beseitigen unbekannte Konstanten. Das Skalierungsgesetz sagt nur, dass die Frequenz proportional zu M−1/6 ist. Teilt man durch den Wert der Hauskatze, fällt die unbekannte Proportionalitätskonstante heraus – ein gängiger Trick, wenn nur ein Skalierungsgesetz bekannt ist.
- Doppelt logarithmische Achsen machen Potenzgesetze zu Geraden. Auf logarithmischen Achsen wird f ∝ M−1/6 zu einer Geraden mit der Steigung −1/6, sodass man verschiedene Exponenten auf einen Blick vergleichen kann.
Probier es selbst – jede Änderung ist eine Zeile:
- Setze
EXPONENT = -1 / 3: das Gesetz für eine gleichbleibende Zungengeschwindigkeit. Der Löwe leckt jetzt nur mit 0,28 der Rate der Hauskatze, 3,6-mal langsamer. - Setze
EXPONENT = 0: Spielte die Größe gar keine Rolle, leckte jede Katze gleich oft, 1,00 – und der Löwe nur 1,0-mal langsamer.
Getestete Ausgabe mit EXPONENT = -1 / 3
Tier Masse Züge relativ zur Hauskatze Hauskatze 4 kg 1.00 Ozelot 11 kg 0.71 Gepard 45 kg 0.45 Jaguar 80 kg 0.37 Löwe 190 kg 0.28 Tiger 220 kg 0.26 ein Löwe ist 47.5-mal schwerer, leckt aber nur 3.6-mal langsamer
Getestete Ausgabe mit EXPONENT = 0
Tier Masse Züge relativ zur Hauskatze Hauskatze 4 kg 1.00 Ozelot 11 kg 1.00 Gepard 45 kg 1.00 Jaguar 80 kg 1.00 Löwe 190 kg 1.00 Tiger 220 kg 1.00 ein Löwe ist 47.5-mal schwerer, leckt aber nur 1.0-mal langsamer
Von Katzen zur Technik
Wie Katzen trinken, zeigt, wie viel Physik in einer alltäglichen Bewegung stecken kann. Statt die Schwerkraft mit Kraft zu bekämpfen, nutzt die Katze die Trägheit des Wassers und wählt nur den richtigen Moment zum Zuschnappen. Ähnliche Fragen – wie man kleine Flüssigkeitsmengen schnell und sauber bewegt – spielen auch in der Technik eine Rolle, und Kim und Bush diskutieren bionische Anwendungen natürlicher Trinkstrategien 2.
Die Katzenzunge hat bereits eine Erfindung inspiriert: eine Fellbürste mit 3D-gedruckten Kopien der hohlen Papillen, die weniger Kraft braucht als eine normale Haarbürste und sich leichter reinigen lässt 5. Wie genau Hunde und Katzen Zunge, Kiefer und Schlucken koordinieren und wie der Mechanismus zwischen den Arten variiert, ist weiterhin Gegenstand der Forschung 4 3.
Häufige Fragen
Wie trinken Katzen Wasser?
Eine Katze biegt ihre Zungenspitze nach hinten und legt sie auf die Wasseroberfläche, ohne sie einzutauchen. Dann zieht sie die Zunge sehr schnell nach oben. Das Wasser haftet an der Zunge und wird in einer dünnen Säule mit nach oben gerissen. Bevor die Schwerkraft die Säule zurückziehen kann, schließt die Katze das Maul und fängt deren Spitze. Dann beginnt sie den nächsten Zug.
Warum saugen Katzen Wasser nicht einfach ein wie wir?
Zum Saugen braucht ein Tier geschlossene Wangen, damit es den Druck im Mund senken kann. Katzen und Hunde haben unvollständige Wangen, die die Seiten des Mauls offen lassen, deshalb können sie keinen Unterdruck erzeugen. Stattdessen lecken sie und heben das Wasser mit der Zunge ins Maul.
Trinken Hunde genauso wie Katzen?
Teilweise. Hochgeschwindigkeitsvideos zeigen, dass auch Hunde nicht schöpfen, sondern darauf setzen, dass das Wasser an der Zunge haftet. Hunde beschleunigen ihre Zunge aber stärker und biegen sie nach hinten, wodurch sie eine größere Wassersäule hochziehen. Physikalisch lecken Hunde in einem instationären, von der Beschleunigung bestimmten Regime, Katzen in einem stationären – und Hunde spritzen viel mehr.
Trinken Löwen und Tiger wie Hauskatzen?
Ja. Messungen des Leckens innerhalb der Katzenfamilie stützen denselben Mechanismus. Größere Katzen lecken langsamer, aber nur wenig: Die Leckfrequenz sinkt etwa mit der sechsten Wurzel der Körpermasse. Nach dieser Regel leckt ein Löwe, fast 50-mal schwerer als eine Hauskatze, nur etwa halb so schnell.
Wozu ist die raue Katzenzunge da?
Die Katzenzunge ist mit nach hinten gerichteten Stacheln bedeckt, den Papillen. Jede hat eine hohle Spitze, die Speichel wie ein Strohhalm aufsaugt und ihn beim Putzen ans Fell abgibt. Forscher haben die Papillen mit einem 3D-Drucker nachgebaut und daraus eine Fellbürste gemacht, die weniger Kraft braucht und sich leichter reinigen lässt als eine normale Haarbürste.
Quellen
- Reis, P. M., Jung, S., Aristoff, J. M., Stocker, R. (2010). How cats lap: water uptake by Felis catus. Science 330, 1231–1234. doi:10.1126/science.1195421
- Kim, W., Bush, J. W. M. (2012). Natural drinking strategies. Journal of Fluid Mechanics 705, 7–25. doi:10.1017/jfm.2012.122
- Gart, S., Socha, J. J., Vlachos, P. P., Jung, S. (2015). Dogs lap using acceleration-driven open pumping. Proceedings of the National Academy of Sciences 112, 15798–15802. doi:10.1073/pnas.1514842112 · Open Access
- Crompton, A. W., Musinsky, C. (2011). How dogs lap: ingestion and intraoral transport in Canis familiaris. Biology Letters 7, 882–884. doi:10.1098/rsbl.2011.0336 · Open Access
- Noel, A. C., Hu, D. L. (2018). Cats use hollow papillae to wick saliva into fur. Proceedings of the National Academy of Sciences 115, 12377–12382. doi:10.1073/pnas.1809544115 · Open Access
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