5 Minuten
Įžanga: Mitai prieš biomechaniką
Populiarioji kultūra dažnai didžiausius mėsėdžius dinozaurus vaizduoja kaip nesustabdomus milžinus, kurie santykius aiškinasi vienu galingu, kaulus traiškančiu kąsniu. Ikoniška kino kova tarp Spinosaurus ir Tyrannosaurus rex tik dar labiau stiprino tokį įvaizdį. Tačiau nauja biomechaninė analizė rodo, kad vien kūno masė dar negarantuoja stipraus kąsnio. Tyrinėdami 18 teropodų kaukolių 3D modelius, mokslininkai nustatė, kad didžiausių plėšriųjų dinozaurų mitybos strategijos iš esmės skyrėsi – o T. rex kaukolė buvo evoliuciškai pritaikyta galingam spaudimui taip, kaip daugumos kitų milžiniškų teropodų – nebuvo.
Mokslinis pagrindas ir tyrimo tikslai
Paleobiologai ilgą laiką manė, kad stambūs teropodai dalijosi panašia medžioklės taktika – juk dydis suponuoja galimybę pulti didelį grobį. Tiranozauridai, tokie kaip T. rex, yra vieni geriausiai dokumentuotų plėšrūnų: yra rasta daug gerai išlikusių kaukolių ir tiesioginių šėrimosi įrodymų. Priešingai, kitos milžiniškos rūšys, pavyzdžiui, Spinosaurus, Giganotosaurus ar Allosaurus, žinomi tik iš dalinių kaulų. Dėl šių spragų ankstesnės rekonstrukcijos dažnai remdavosi nuotraukomis arba dvimačiais piešiniais, o ne šiuolaikiniais 3D duomenimis.
Norėdamas išsiaiškinti, ar didelis dydis reiškia panašų kąsnio pajėgumą skirtingų rūšių teropodams, mokslininkas Andre Rowe ir kolegos sukūrė tikslius 18 didžiųjų teropodų kaukolių 3D modelius. Tikslas buvo kiekybiškai įvertinti, kaip galvos forma ir sąnarių mechanika lemia spaudimo ištvermingumą ir kąsnio galią, naudojantis inžineriniais įrankiais, taikomais ir kosmoso technikoje, ir struktūrinėje biologijoje.
Metodai: 3D skenavimas ir galutinių elementų analizė
Rowe muziejuose naudojo rankinį 3D skenerį, kad tiksliai užfiksuotų kaukoles bei atskirus kaukolės kaulus, kuriuos vėliau sujungė į pilnus skaitmeninius modelius. Šie modeliai buvo analizuojami taikant galutinių elementų analizę (GEA) – kompiuterinį metodą, leidžiantį prognozuoti, kaip objektas reaguos į įvairias apkrovas pagal spaudimo ir deformacijų pasiskirstymą struktūroje. Paleontologijoje GEA naudojama, kad būtų galima įvertinti raumenų sukuriamas jėgas kąsnio metu ir nustatyti, ar kaukolė galėjo atlaikyti tokias apkrovas, kokių reikalauja įvairūs mitybos tipai.
Pagrindiniai modelių parametrai buvo numatomos raumenų jėgos, sąnarių judrumas ir atkurta kaulų struktūra. Nors minkštieji audiniai ar raumenų architektūra iš fosilijų nenustatomi, palyginamosios anatomijos bei šiandieninių gyvūnų – krokodilų ir varanų – tyrimai leidžia pagrįstai modeliuoti teropodų mitybos biomechaniką.
Pagrindiniai atradimai: kelios mitybos strategijos tarp milžiniškų teropodų
GEA rezultatai aiškiai parodė funkcinį skirtumą tarp grupių. Tiranozauridai, tarp jų ir T. rex, turėjo standžias, mažai judrias kaukoles su sustiprinta kaulų architektūra ir trumpu, aukštu profiliu. Tokia struktūra atspindi „aukštos jėgos, intensyvaus spaudimo“ mitybos būdą – stiprūs raumenys generavo kaulus minkantį kąsnį. Tai patvirtina ir kiti tyrimai, aptikus tyranozauridų kauluose įspaustus dantis ir kauluose įstrigusius kąsnio pėdsakus.
Allosauridai ir su jais susiję vėlyvosios Kretos laikotarpio Giganotosaurus turėjo lengvesnes, pailgesnes ir labiau judrias kaukoles. Jų galvos struktūra pasirodė neatspari stipriam spaudimui, tačiau ji puikiai tiko „mažesnės jėgos, daugkartinių pjovimų“ strategijai. Tokiu būdu šie plėšrūnai, panašiai kaip dabartinės Komodo varanai, kartotiniais pjūviais išvargindavo auką, o ne susmulkindavo kaulus iš karto.
Spinosaurus ir jo artimieji buvo dar kitokie. Siaura, smaili kaukolė ir kiti galvos bruožai rodo mišrų ar net iš dalies žuvimi mintantį gyvenimo būdą. Šią taktiką patvirtina ir rasti fosilijų likučiai: žuvų žvynai, pterozaurų kaulai skrandžio srityje, iguanodontidų liekanos artimų rūšių žarnynuose. GEA rezultatai rodo, kad Spinosaurus tipo kaukolės netiko ilgalaikiam, labai stipriam spaudimui – tai patvirtina šių dinozaurų kaip oportunistinių, pakrančių mitybos strategijų naudotojų interpretaciją, o ne T. rex tipo kaulų traiškymo elgseną.
Reikšmė paleoekologijai ir plėšrūnų nišoms
Šios biomechaninės įžvalgos rodo, kad gigantiški teropodai dalijosi ekologines nišas ir ne visi buvo tais pačiais aukščiausio lygio plėšrūnais. Tiranozauridai buvo specializuoti pasalų medžiotojai, sugebėję įveikti stambų grobį ir naikinti kaulus. Allosauridai pirmenybę teikė lanksčiai kaukolių biomechanikai bei mėsos pjaustymui pakartotiniais kąsniais, o spinosauridai buvo universalūs, medžioję, gaudę žuvis ar maitinosi dvėseliena.
Tokios skirtumos leido sumažinti tiesioginę konkurenciją tarp didžiųjų plėšrūnų, kai jų geografinės ir laikotarpio ribos persidengdavo. Taip pat tampa aišku, kad paleontologiniai mitybos įvertinimai turi remtis ne vien kūno mase, bet ir kaukolės biomechanika.
Technologijos, ribojimai ir ateities kryptys
Panaudotos technologijos
Šis tyrimas rodo, kaip muziejinis 3D skenavimas ir inžinerinės simuliacijos (pvz., galutinių elementų analizė) leidžia detaliau tirti iškastinių gyvūnų biomechaniką. Paviršiaus skenavimo, fotogrametrijos ir kompiuterinės tomografijos (KT) pažanga suteikia galimybę išsamiai skaitmenizuoti net trapius ir neišsamius egzempliorius. Prijungus raumenų modeliavimą ir minkštųjų audinių rekonstrukcijas, galima vis tiksliau atkurti kąsnio jėgą ir mitybos ypatumus.
Ribojimai ir neapibrėžtumai
Išlieka ir iššūkių. Raumenų jėgos vertinamos netiesiogiai, o išlikusių kaukolių atranka priklauso nuo fosilijų išsaugojimo šališkumo. Rezultatus gali paveikti ekstrapoliacija dėl skirtingo augimo ar proporcijų pokyčių, o elgsenos smulkmenų ne visada įmanoma užfiksuoti vien modeliu. Visgi esminis dėsningumas – skirtingos kaukolių sandaros atspindi skirtingą šėrimosi taktiką – išlieka universalus tiriamoje imtyje.
Ateities perspektyvos
Tolimesni tyrimai galės šiuos rezultatus patikslinti jungiant biomechaninius modelius su detalesniu raumenų architektūros atkūrimu, mašininio mokymosi metodais optimizuojant parametrus ir plečiant fosilijų imtį. Nauji visapusiškesni spinosauridų ar allosauridų kaukolių atradimai padės dar geriau suprasti, kaip didžiųjų teropodų mitybos specializacija vystėsi evoliucijos eigoje.
Ekspertų požiūris
Tyrimo vadovas Andre Rowe apibendrina pagrindinę išvadą: Spinosaurus ir T. rex buvo struktūriškai labai skirtingi plėšrūnai, ir jei jie būtų susitikę – T. rex kaukolės sandara būtų jam suteikusi aiškų pranašumą tiesioginėje, kaulus naikinančioje dvikovoje. Rowe pabrėžia, kad šie skirtumai liudija skirtingus evoliucinius sprendimus, kaip tapti gigantišku mėsėdžiu, o ne bendrą bendrą racionalų visiems „plėšrūnų modelį“.
Išvada
Didelė kūno masė tarp didžiausių teropodų ne visada reiškė didelę kąsnio jėgą. Detalūs 3D skenavimo ir galutinių elementų modeliavimo tyrimai parodė, jog Tiranozauras buvo evoliuciškai pritaikytas kaulų traiškymui, o allosauridai bei spinosauridai taikė alternatyvias (pjovimą, mišrią ar pakrančių mitybą) strategijas. Tokie biomechaniniai duomenys patikslina mūsų supratimą apie perkamųjų dinozaurų nišas Mezozojaus ekosistemose ir pabrėžia šiuolaikinių inžinerinių priemonių svarbą atkuriant išnykusių gyvūnų gyvenimą.
Quelle: arstechnica
Kommentare