Plezjozaury, które żyły około 210 milionów lat temu, przystosowały się do życia pod wodą w wyjątkowy sposób: ich przednie i tylne nogi ewoluowały w toku ewolucji, tworząc cztery jednolite, przypominające skrzydła płetwy. W swojej pracy dyplomowej nadzorowanej w Ruhr-Universität Bochum i Uniwersytecie w Bonn, dr Anna Krahl zbadała, w jaki sposób używali ich do poruszania się w wodzie. Częściowo za pomocą metody elementów skończonych, która jest szeroko stosowana w inżynierii, była w stanie pokazać, że konieczne jest skręcanie płetw, aby podróżować do przodu. Potrafiła zrekonstruować sekwencję ruchu za pomocą kości, modeli i rekonstrukcji mięśni.
Plezjozaury należą do grupy zaurów zwanych Sauropterygia lub jaszczurkami wiosłowymi, które ponownie przystosowały się do życia w oceanach. Wyewoluowały w późnym triasie 210 milionów lat temu, żyły w tym samym czasie co dinozaury i wyginęły pod koniec okresu kredowego. Plezjozaury charakteryzują się często bardzo wydłużoną szyją z małą głową – elasmozaury mają nawet najdłuższą szyję ze wszystkich kręgowców. Ale były też duże drapieżne formy z dość krótką szyją i ogromnymi czaszkami. U wszystkich plezjozaurów szyja jest połączona z dobrze przystosowanym hydrodynamicznie ciałem w kształcie łzy z wyraźnie skróconym ogonem.
Naukowcy przez 120 lat zastanawiali się, jak pływały plezjozaury
Drugą cechą, która sprawia, że plezjozaury są tak niezwykłe, są ich cztery jednolite, przypominające skrzydła płetwy. „Przekształcenie przednich nóg w przypominające skrzydła płetwy jest stosunkowo powszechne w ewolucji, na przykład u żółwi morskich. Nigdy jednak tylne nogi nie ewoluowały w prawie identycznie wyglądające skrzydła przypominające płat” – wyjaśnia Anna Krahl, której Promotorem pracy doktorskiej byli prof. P. Martin Sander (Bonn) i prof. Ulrich Witzel (Bochum). Na przykład żółwie morskie i pingwiny mają płetwiaste stopy. Od ponad 120 lat badacze paleontologii kręgowców zastanawiają się, w jaki sposób plezjozaury mogły pływać z tymi czterema skrzydłami. Czy wiosłowali jak żółwie słodkowodne lub kaczki? Czy latały pod wodą jak żółwie morskie i pingwiny? A może połączyli podwodny lot i wiosłowanie, jak współczesne lwy morskie lub żółw ze świńskim nosem? Nie jest również jasne, czy przednie i tylne płetwy były trzepotane zgodnie, w opozycji lub poza fazą.
Anna Krahl od kilku lat zajmuje się badaniem budowy ciała plezjozaurów. Zbadała kości obręczy barkowej i miednicy, przednie i tylne płetwy oraz powierzchnie stawów barkowych plezjozaura Cryptoclidus eurymerus z okresu jury środkowej (około 160 milionów lat temu) na kompletnym szkielecie wystawionym w Muzeum Goldfußa Uniwersytet w Bonn. Plezjozaury mają usztywnione stawy łokciowe, kolanowe, dłoniowe i skokowe, ale funkcjonujące stawy barkowe, biodrowe i palcowe. „Analiza porównująca je ze współczesnymi żółwiami morskimi i na podstawie tego, co wiadomo o ich procesie pływania, wykazała, że plezjozaury prawdopodobnie nie były w stanie obracać płetwami tak mocno, jak byłoby to konieczne do wiosłowania”, podsumowuje Krahl, podsumowując jedną z nich. prace wstępne. Wiosłowanie to przede wszystkim ruch tam i z powrotem, który wykorzystuje opór wody do poruszania się do przodu. Z drugiej strony preferowanym kierunkiem ruchu płetw u plezjozaurów był kierunek góra-dół, używany przez latających pod wodą do generowania napędu.
Pozostało pytanie, w jaki sposób plezjozaury mogą ostatecznie skręcić płetwy, aby umieścić je w hydrodynamicznie korzystnej pozycji i wytworzyć uniesienie bez obracania ramienia i uda wokół osi podłużnej. „Może to zadziałać poprzez skręcenie płetw wokół ich długiej osi” – mówi Anna Krahl. „Wykazano, że inne kręgowce, takie jak żółw skórzasty, wykorzystują ten ruch do generowania napędu poprzez siłę nośną”. Na przykład skręcanie polega na zginaniu pierwszego palca daleko w dół, a ostatniego palca daleko w górę. Pozostałe palce łączą te skrajne pozycje, dzięki czemu końcówka płetwy jest prawie pionowa, bez konieczności wykonywania jakichkolwiek rotacji w ramieniu lub nadgarstku.
Rekonstrukcja mięśni przednich i tylnych płetw Cryptoclidus przy użyciu żyjących dziś gadów wykazała, że plezjozaury mogą aktywnie umożliwiać takie skręcanie płetw. Oprócz klasycznych modeli naukowcy wykonali również tomografie komputerowe kości ramiennej i udowej Cryptoclidus i wykorzystali je do stworzenia wirtualnych modeli 3D. „Te cyfrowe modele były podstawą do obliczenia sił za pomocą metody, którą zapożyczyliśmy z inżynierii: metody elementów skończonych lub FE” – wyjaśnia Anna Krahl. Wszystkie mięśnie i kąty ich przyczepu do kości ramiennej i udowej zostały wirtualnie odtworzone w programie komputerowym FE, który może symulować fizjologiczne obciążenia funkcjonalne, na przykład na elementach konstrukcyjnych, ale także na protezach. W oparciu o założenia dotyczące siły mięśni z podobnego badania na żółwiach morskich zespół był w stanie obliczyć i zwizualizować obciążenie każdej kości.
Skręcenie płetw można udowodnić pośrednio
Podczas cyklu ruchu kości kończyn są obciążane przez ściskanie, rozciąganie, zginanie i skręcanie. „Analizy FE wykazały, że kość ramienna i kość udowa płetw są obciążone funkcjonalnie głównie przez ściskanie iw znacznie mniejszym stopniu przez naprężenie rozciągające” – wyjaśnia Anna Krahl. „Oznacza to, że plezjozaur zbudował kości, używając tak niewielkiej ilości materiału, jak to konieczne”. Ten naturalny stan można utrzymać tylko wtedy, gdy uwzględnione zostaną mięśnie, które skręcają płetwy i mięśnie, które owijają się wokół kości. „Możemy zatem pośrednio udowodnić, że plezjozaury skręcały płetwy, aby sprawnie pływać” – podsumowuje Anna Krahl.
Zespół był również w stanie obliczyć siły dla poszczególnych mięśni, które wygenerowały suw w górę i w dół. Na przykład okazało się, że ruch w dół obu par płetw był silniejszy niż ruch w górę. Jest to porównywalne z dzisiejszymi żółwiami morskimi i różni się od dzisiejszych pingwinów, które poruszają się do przodu na tę samą odległość w ruchu w górę i w dół. „Plezjozaury przystosowały się do życia w wodzie w zupełnie inny sposób niż na przykład wieloryby” – zauważa Anna Krahl, która obecnie pracuje na Uniwersytecie Eberharda Karlsa w Tybindze w Niemczech. „Ta wyjątkowa ścieżka ewolucji jest przykładem wagi badań paleontologicznych, ponieważ jest to jedyny sposób, w jaki możemy docenić pełen zakres tego, co może przynieść ewolucja”.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Ruhr-Uniwersytet Bochum. Oryginał napisany przez Meike Driessena. Uwaga: Treść można edytować pod kątem stylu i długości.