Новое исследование показывает, как плезиозавры плавали под водой

Плезиозавры, жившие около 210 миллионов лет назад, необычным образом приспособились к жизни под водой: их передние и задние ноги со временем эволюционировали, превратившись в четыре однородных, похожих на крылья ласты. Доктор Анна Крал изучила, как они использовали их для передвижения по воде, в своей диссертации, которую курировала в Рурском университете Бохума и Боннском университете.

Она смогла продемонстрировать, что скручивание ласт имеет решающее значение для движения вперед, частично используя метод конечных элементов, который часто используется в инженерном деле. Используя кости, модели мышц и реконструкции мышц, она смогла воссоздать последовательность движений. Ее результаты были недавно опубликованы в журнале PeerJ.

Плезиозавры - представители зауроптеригии, часто известной как веслоногие ящерицы, группы ящеров, которые приспособились к жизни в воде. Они развились в позднем триасе, около 210 миллионов лет назад, сосуществовали с динозаврами и вымерли в конце меловой эры.

Плезиозавры отличаются своими часто чрезвычайно длинными шеями и крошечными головами; у эласмозавров даже самые длинные шеи среди всех позвоночных. С другой стороны, были также огромные хищные типы с короткими шеями и огромными черепами. Шея соединена с каплевидным, хорошо приспособленным к гидродинамике телом, у всех плезиозавров заметно укороченным.

Вторая особенность, которая делает плезиозавров такими необычными, - это их четыре однородных крыловидных плавника.

“Превращение передних ног в похожие на крылья ласты является относительно распространенным явлением в эволюции, например, у морских черепах. Однако никогда больше задние лапы не эволюционировали в почти идентично выглядящее крыло, похожее на профиль”, - объясняет Анна Крал, чья докторская диссертация была защищена под руководством профессора П. Мартина Сандера (Бонн) и профессора Ульриха Витцеля (Бохум).

Например, у морских черепах и пингвинов перепончатые лапы. Уже более 120 лет исследователи в области палеонтологии позвоночных ломают голову над тем, как плезиозавры могли плавать с этими четырьмя крыльями. Они гребли, как пресноводные черепахи или утки? Летали ли они под водой, как морские черепахи и пингвины? Или они сочетали подводный полет и греблю, как современные морские львы или свиноносая черепаха? Также неясно, хлопали ли передние и задние ласты в унисон, противоположно или не по фазе.

Анна Краль уже несколько лет изучает строение тела плезиозавров. Она исследовала кости плечевого и тазового пояса, передние и задние плавники, а также поверхности плечевых суставов плезиозавра Cryptoclidus eurymerus из среднеюрского периода (около 160 миллионов лет назад) на полном скелете, выставленном в музее Гольдфуса Боннского университета. У плезиозавров были окоченевшие локтевые, коленные, кистевые и голеностопные суставы, но функционировали плечевые, тазобедренные и суставы пальцев.

“Анализ, сравнивающий их с современными морскими черепахами, и основанный на том, что известно об их плавании, показал, что плезиозавры, вероятно, не могли вращать ластами так сильно, как это было бы необходимо для гребли”, - заключает Крал, подводя итог одной из своих предварительных работ. Гребля - это прежде всего движение взад-вперед, которое использует сопротивление воды для продвижения вперед.

С другой стороны, предпочтительным направлением движения плавников у плезиозавров было движение вверх-вниз, которое использовалось подводными летунами для создания толчка.

Оставался открытым вопрос, как плезиозавры могли в конечном итоге поворачивать свои плавники, чтобы придать им гидродинамически выгодное положение и создать подъемную силу, не поворачивая плечо и бедро вокруг продольной оси.

“Это может сработать при вращении ласт вокруг их длинной оси”, - говорит Анна Крал. “Было показано, что другие позвоночные, такие как кожистая черепаха, также использовали это движение для создания тяги за счет подъемной силы”.

Скручивание, например, включает в себя сгибание первого пальца далеко вниз, а последнего пальца далеко вверх. Остальные пальцы соединяют эти крайние положения так, чтобы кончик ласта был почти вертикальным, не требуя какого-либо реального вращения в плече или запястье.

Реконструкция мышц передних и задних плавников криптоклид с использованием рептилий, живущих сегодня, показала, что плезиозавры могли активно использовать такое скручивание плавников. В дополнение к классическим моделям исследователи также сделали компьютерные томографии плечевой и бедренной костей Cryptoclidus и использовали их для создания виртуальных 3D-моделей.

“Эти цифровые модели послужили основой для расчета сил с использованием метода, который мы позаимствовали из инженерного дела: метода конечных элементов, или FE”, - объясняет Анна Крал.

Все мышцы и углы их прикрепления к плечевой и бедренной костям были виртуально воспроизведены в компьютерной программе FE, которая может имитировать физиологические функциональные нагрузки, например, на строительные компоненты, а также на протезы. Основываясь на предположениях о мышечной силе, полученных в ходе аналогичного исследования на морских черепахах, команда смогла рассчитать и визуализировать нагрузку на каждую кость.