Hvordan plesiosaurer svømmede under vandet

Plesiosaurer, som levede for omkring 210 millioner år siden, tilpassede sig livet under vandet på en unik måde:deres for- og bagben udviklede sig i løbet af evolutionen til fire ensartede, vingelignende svømmefødder. Dr. Anna Krahl undersøgte i sit speciale ved Ruhr-Universität Bochum og universitetet i Bonn, hvordan de brugte disse til at bevæge sig gennem vandet. Dels ved at bruge finite element-metoden, som er meget udbredt i teknik, kunne hun vise, at det var nødvendigt at vride svømmefødderne for at rejse frem. Hun var i stand til at rekonstruere bevægelsessekvensen ved hjælp af knogler, modeller og rekonstruktioner af musklerne. Hun rapporterer sine resultater i PeerJ magasin den 3. juni 2022.

Plesiosaurer tilhører en gruppe af saurianere kaldet Sauropterygia, eller padle øgler, som igen tilpassede sig til at leve i havene. De udviklede sig i det sene trias for 210 millioner år siden, levede samtidig med dinosaurerne og uddøde i slutningen af ​​kridtperioden. Plesiosaurer er karakteriseret ved en ofte ekstremt langstrakt hals med et lille hoved – elasmosaurerne har endda den længste hals af alle hvirveldyr. Men der var også store rovformer med en ret kort hals og enorme kranier. Hos alle plesiosaurer er halsen knyttet til en dråbeformet, hydrodynamisk veltilpasset krop med en markant forkortet hale.

Forskere har i 120 år undret sig over, hvordan plesiosaurer svømmede

Den anden egenskab, der gør plesiosaurer så usædvanlige, er deres fire ensartede vingelignende svømmefødder. "At få forbenene omdannet til vingelignende svømmefødder er relativt almindeligt i evolutionen, f.eks. hos havskildpadder. Aldrig mere udviklede bagbenene sig dog til en næsten identisk udseende aerofolielignende vinge," forklarer Anna Krahl, hvis doktorafhandlingen blev vejledt af professor P. Martin Sander (Bonn) og professor Ulrich Witzel (Bochum). Havskildpadder og pingviner har for eksempel svømmehud. I mere end 120 år har forskere i hvirveldyrs palæontologi undret sig over, hvordan plesiosaurer kunne have svømmet med disse fire vinger. Roede de som ferskvandsskildpadder eller ænder? fløj de under vandet som havskildpadder og pingviner? Eller kombinerede de undervandsflyvning og roning som nutidens søløver eller svinenæseskildpadden? Det er også uklart, om de forreste og bageste svømmefødder blev klappet i kor, i opposition eller ude af fase.

Anna Krahl har i flere år studeret plesiosaurernes kropsstruktur. Hun undersøgte knoglerne i skulder- og bækkenbæltet, de forreste og bageste svømmefødder og skulderledsoverfladerne på plesiosauren Cryptoclidus eurymerus fra mellemjuraperioden (omkring 160 millioner år siden) på et komplet skelet udstillet i Goldfuß-museet i Universitetet i Bonn. Plesiosaurer har stivede albue-, knæ-, hånd- og ankelled, men fungerende skulder-, hofte- og fingerled.

"Analyse, der sammenlignede dem med nutidens havskildpadder, og baseret på hvad der er kendt om deres svømmeproces, indikerede, at plesiosaurer sandsynligvis ikke var i stand til at rotere deres svømmefødder så meget, som det ville være nødvendigt for roning," slutter Krahl og opsummerer en af ​​hende. foreløbige papirer. Roning er primært en frem-og-tilbage-bevægelse, der bruger vandmodstand til at bevæge sig fremad. Den foretrukne retning for flipperbevægelse hos plesiosaurer var på den anden side op-og-ned, som brugt af undervandsflyvere til at generere fremdrift.

Musklerne fra de tidligere undersøgelser blev spændt i denne model for bedre at forstå deres geometri. Modellen gjorde det også muligt at ændre flipperpositionerne for at måle, hvor meget musklerne forlænges eller forkortes.

Spørgsmålet forblev, hvordan plesiosaurer i sidste ende kunne dreje deres svømmefødder for at placere dem i en hydrodynamisk gunstig position og producere løft uden at rotere overarmen og låret rundt om længdeaksen. "Dette kunne fungere ved at vride flipperne rundt om deres lange akse," siger Anna Krahl. "Andre hvirveldyr, såsom læderskildpadden, har også vist sig at bruge denne bevægelse til at generere fremdrift gennem løft." Vridning involverer for eksempel at bøje den første finger langt nedad og den sidste finger langt opad. De resterende fingre bygger bro over disse ekstreme positioner, så flipperspidsen er næsten lodret uden at kræve nogen egentlig rotation i skulderen eller håndleddet.

En rekonstruktion af musklerne i for- og bagflipperne til Cryptoclidus ved hjælp af krybdyr, der lever i dag, viste, at plesiosaurer aktivt kunne muliggøre en sådan flipper-vridning. Ud over klassiske modeller lavede forskerne også computertomografier af humerus og lårben på Cryptoclidus og brugte dem til at skabe virtuelle 3D-modeller. "Disse digitale modeller var grundlaget for at beregne kræfterne ved hjælp af en metode, vi lånte fra ingeniørkunsten:Finite Element-metoden eller FE," forklarer Anna Krahl. Alle musklerne og deres fastgørelsesvinkler på humerus og lårben blev nærmest gengivet i et FE-computerprogram, der kan simulere fysiologiske funktionelle belastninger, for eksempel på konstruktionskomponenter, men også på proteser. Baseret på muskelkraftantagelser fra en lignende undersøgelse af havskildpadder var holdet i stand til at beregne og visualisere belastningen på hver knogle.

Vridning af flipperne kan bevises indirekte

Under en bevægelsescyklus belastes lemmerknoglerne af kompression, spænding, bøjning og vridning. "FE-analyserne viste, at overarmsknoglen og lårbenet i svømmefødderne funktionelt belastes hovedsageligt af kompression og i meget mindre grad af trækspænding," forklarer Anna Krahl. "Det betyder, at plesiosauren byggede sine knogler ved at bruge så lidt materiale som nødvendigt." Denne naturlige tilstand kan kun opretholdes, hvis musklerne, der vrider svømmefødderne, og musklerne, der vikler sig om knoglen, er inkluderet. "Vi kan derfor indirekte bevise, at plesiosaurer snoede deres svømmefødder for at svømme effektivt," opsummerer Anna Krahl.

Holdet var også i stand til at beregne kræfter for de enkelte muskler, der genererede op- og nedslaget. For eksempel viste det sig, at nedadgående slag af begge svømmefødder var kraftigere end opslaget. Dette kan sammenlignes med vores havskildpadder i dag og anderledes end nutidens pingviner, som bevæger sig samme afstand frem med opslaget som med nedslaget. "Plesiosaurer tilpassede sig livet i vand på en meget anden måde end hvaler for eksempel," bemærker Anna Krahl, som nu arbejder ved Eberhard Karls Universitet i Tübingen, Tyskland. "Denne unikke udviklingsvej eksemplificerer vigtigheden af ​​palæontologisk forskning, fordi det er den eneste måde, vi kan værdsætte hele spektret af, hvad evolution kan medføre."