Плезиозавры, жившие около 210 миллионов лет назад, приспособились к жизни под водой уникальным образом: их передние и задние ноги эволюционировали в ходе эволюции, сформировав четыре одинаковых крылатых ласта. В своей диссертации под руководством Рурского университета Бохума и Боннского университета доктор Анна Краль исследовала, как они использовали их для передвижения по воде. Частично с помощью метода конечных элементов, который широко используется в технике, она смогла показать, что для движения вперед необходимо крутить ласты. Она смогла реконструировать последовательность движений, используя кости, модели и реконструкции мышц. Она сообщает о своих выводах в журнале PeerJ 3 июня 2022 года.
Плезиозавры принадлежат к группе ящеротазовых, называемых Sauropterygia, или веслоногими ящерицами, которые повторно приспособились к жизни в океанах. Они эволюционировали в конце триаса 210 миллионов лет назад, жили в то же время, что и динозавры, и вымерли в конце мелового периода. Для плезиозавров характерна часто чрезвычайно вытянутая шея с маленькой головой — у эласмозавров даже самая длинная шея из всех позвоночных. Но встречались и крупные хищные формы с довольно короткой шеей и огромными черепами. У всех плезиозавров шея прикреплена к каплевидному, гидродинамически хорошо приспособленному телу с заметно укороченным хвостом.
Исследователи 120 лет ломали голову над тем, как плавали плезиозавры
Второй особенностью, которая делает плезиозавров такими необычными, являются их четыре одинаковых крылатых ласта . «Трансформация передних ног в крыловидные ласты относительно распространена в эволюции, например, у морских черепах . Однако никогда больше задние ноги неэволюционируют в почти идентичное на вид крыло, похожее на аэродинамический профиль», — объясняет Анна Краль, чья докторская диссертация была написана под руководством профессора П. Мартина Сандера (Бонн) и профессора Ульриха Витцеля (Бохум). У морских черепах и пингвинов, например, перепончатые ноги. … На протяжении более 120 лет исследователи палеонтологии позвоночных ломали голову над тем, как плезиозавры могли плавать с этими четырьмя крыльями. Грести ли они, как пресноводные черепахи или утки? Летали ли они под водой, как морские черепахи и пингвины? Или они совмещали полет под водой и гребут, как современные морские львы или свиноносые черепахи?Также неясно, хлопали ли передние и задние ласты в унисон, в оппозиции или в противофазе.
Анна Краль несколько лет занимается изучением строения тела плезиозавров. Она исследовала кости плечевого и тазового пояса, передние и задние ласты, а также поверхности плечевых суставов плезиозавра Cryptoclidus eurymerus из средней юры (около 160 миллионов лет назад) на полном скелете, выставленном в Музее Гольдфуса. Боннский университет. Плезиозавры имеют жесткие локтевые, коленные, кисти и голеностопные суставы, но функционируют плечевые, тазобедренные и пальцевые суставы.
«Анализ, сравнивающий их с современными морскими черепахами и основанный на том, что известно об их процессе плавания, показал, что плезиозавры, вероятно, не могли вращать ласты так сильно, как это было бы необходимо для гребли», — заключает Крал, резюмируя одну из своих предварительные документы. Гребля — это, прежде всего, движение вперед и назад, в котором для движения вперед используется сопротивление воды. С другой стороны, предпочтительным направлением движения плавников у плезиозавров было движение вверх-вниз, которое используется подводными летунами для создания движения.
В этой модели были натянуты мышцы из предыдущих исследований, чтобы лучше понять их геометрию. Модель также позволяла изменять положение ласт, чтобы измерить, насколько мышцы удлиняются или укорачиваются.
Оставался вопрос, как плезиозавры могли в конечном итоге повернуть свои ласты, чтобы поместить их в гидродинамически благоприятное положение и создать подъемную силу, не вращая плечо и бедро вокруг продольной оси. «Это может сработать, если повернуть ласты вокруг их длинной оси», — говорит Анна Краль. «Было показано, что другие позвоночные, такие как кожистая черепаха, также используют это движение для создания движения за счет подъемной силы». Скручивание, например, включает в себя сгибание первого пальца далеко вниз, а последнего пальца далеко вверх. Оставшиеся пальцы перекрывают эти крайние положения, так что кончик ласты становится почти вертикальным, не требуя реального вращения плеча или запястья.
Реконструкция мышц передних и задних ласт Cryptoclidus с использованием ныне живущих рептилий показала, что плезиозавры могли активно делать такое скручивание ласт. Помимо классических моделей, исследователи также сделали компьютерные томографии плечевой и бедренной костей Cryptoclidus и использовали их для создания виртуальных 3D-моделей. «Эти цифровые модели стали основой для расчета сил с использованием метода, заимствованного нами из инженерии: метода конечных элементов, или КЭ», — объясняет Анна Краль. Все мышцы и углы их прикрепления на плечевой и бедренной кости были виртуально воспроизведены в компьютерной программе КЭ, которая может моделировать физиологические функциональные нагрузки, например, на элементы конструкции, а также на протезы. Основываясь на предположениях о мышечной силе из аналогичного исследования морских черепах,
Скручивание ласт можно доказать косвенно
Во время двигательного цикла кости конечностей нагружаются сжатием, растяжением, изгибом и скручиванием. «Анализ КЭ показал, что плечевая и бедренная кости в ластах функционально нагружаются в основном за счет сжатия и в гораздо меньшей степени за счет напряжения растяжения», — объясняет Анна Краль. «Это означает, что плезиозавр построил свои кости, используя как можно меньше материала». Это естественное состояние можно поддерживать только в том случае, если включаются мышцы, скручивающие ласты, и мышцы, обвивающие кость. «Таким образом, мы можем косвенно доказать, что плезиозавры скручивали свои ласты, чтобы эффективно плавать», — резюмирует Анна Краль.
Команда также смогла рассчитать силы для отдельных мышц, которые генерировали движение вверх и вниз. Например, выяснилось, что движение обеих пар ласт вниз было более мощным, чем движение вверх. Это сравнимо с нашими сегодняшними морскими черепахами и отличается от сегодняшних пингвинов, которые двигаются вперед на такое же расстояние при движении вверх и вниз. «Плезиозавры приспособились к жизни в воде совершенно иначе, чем, например, киты», — отмечает Анна Краль, которая сейчас работает в Университете Эберхарда Карлса в Тюбингене, Германия. «Этот уникальный путь эволюции иллюстрирует важность палеонтологических исследований, потому что это единственный способ, которым мы можем оценить весь спектр того, что может принести эволюция».
