Ученые построили механическую мускульно-скелетную модель перемещения динозавра Coelophysis bauri, в которой смогли учесть трехмерные осевые движения тела. В результате они выяснили, что хвост животного позволяет скомпенсировать вращательный момент тела, экономя таким образов до 18 процентов энергии, затрачиваемой на движение. Исследование опубликовано в Science Advances.
Движение животных (локомоция) — это один из ключевых аспектов, важных для понимания биологии существующих и вымерших видов. В последнем случае выводы приходится делать либо по изучению костей и следов, либо оглядываясь на локомоторные свойства их ныне существующих родственников. Оба подхода — косвенные, а потому не всегда точные.
Существует третий подход, опирающийся на вычислительные биомеханические методы. Моделирование движения умерших животных позволяет делать выводы о нагрузке на их скелет, мышечных функциях, поведении конечностей и многом другом. Большой успех в этом направлении связан с применениями методов оптимизации, целью которых было предсказывать максимально естественное механическое поведение организма. Фактически, такой подход позволяет достоверно предсказывать особенности движения животного, основываясь лишь на информации о структуре его тела, без привлечения дополнительных данных, получаемых из наблюдения за ним в природе.
Современные примеры такого моделирования сконцентрированы преимущественно вокруг поведения гоминид и нептичьих динозавров. Сложность используемых там уравнений требует либо применения суперкомпьютеров, либо каких-то упрощений, чтобы время расчета было разумным. По этой причине описание движения двуногих динозавров ограничивалось 2- или 2,5-мерными моделями, где почти всегда игнорировалась роль осевых сегментов тела. В частности, хвосту традиционно отдается роль статического противовеса.
Команда исследователей из Бельгии и Великобритании при участии Питера Бишопа (Peter Bishop) из Королевского ветеринарного колледжа решила учесть трехмерные осевые движения тела при перемещении динозавра Coelophysis bauri. В результате они выяснили, что хвост теропод играет куда более важную динамическую роль, чем предполагалось ранее, а именно, помогает экономить энергию при движении, компенсируя вращательный момент тела.
Для достижения этой цели авторы разработали формализм, позволяющий симулировать прямолинейное движение тероподов, вызванное работой мышц. Для верификации формализма они смоделировали аналогичное движение для Eudromia elegans — ныне живущей птицы семейства тинаму, гомолога и аналога нептичьих теропод. Ученые моделировали медленное (0,39 метров в секунду) и быстрое (2,62 метра в секунду) перемещение без использования каких-либо экспериментальных данных, однако результат симуляции показал хорошее согласие с тем, как эти птицы двигаются на самом деле.
Затем исследователи перешли к симуляции походки непосредственно целофиза. В целом результаты расчетов оказались в согласии с оценками, сделанными их коллегами ранее с помощью других подходов, например, о максимальной скорости его бега, которая составила 6,65 метров в секунду. Вместе с тем ученые обнаружили ярко выраженные движения шеи и в особенности хвоста, которые противоречили предыдущим статическим моделям.
Подробный анализ кинематики модели показал, что движения хвоста тесно связаны с движением задних конечностей, компенсируя возникающий угловой момент. Для оценки влияния хвостовых движений на общую механическую производительность мульскульно-скелетной структуры, авторы провели серию симуляций, включающих отсутствие у целофиза хвоста, чья масса и момент инерции были перенесены в туловище. В последнем случае оказалось, что бесхвостому динозавру пришлось бы тратить на 18 процентов больше усилий. Это показало, что у хвоста были важные динамические функции — по-видимому, он работает у теропод аналогично человеческим рукам при ходьбе.
Авторы отмечают, что изучение роли хвоста в движении требует дополнительных исследований, поскольку формы хвостов сильно варьируются в пределах разных клад двуногих динозавров. То же самое касается и других пропорций тела, например, конечностей.
Понимание биомеханики динозавров, в особенности теропод, постоянно развивается. Так, недавно мы рассказывали, как ученые связали особенности передвижения у различных видов теропод с их размерами.
Марат Хамадеев
Исполинская ящерица из плейстоценовой Австралии дорастала до 60 сантиметров в длину
Палеонтологи описали самый крупный вид сцинков в истории. Он относился к роду тиликв или, как их еще называют, исполинских ящериц. Больше всего эта рептилия, обитавшая на австралийских равнинах в плейстоцене, напоминала современных короткохвостых сцинков, однако была вдвое крупнее: при весе до 2,4 килограмма она дорастала до 60 сантиметров в длину. Вероятно, гигантский сцинк занимал экологическую нишу наземных черепах. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Proceedings of the Royal Society B. В современной Австралии почти не осталось крупных животных. Однако еще около сорока тысяч лет здесь обитала разнообразная мегафауна: травоядные сумчатые дипротодоны (Diprotodontidae), достигавшие размеров носорога; гигантские короткомордые кенгуру (Procoptodon); хищные сумчатые львы (Thylacoleo); и нелетающие птицы дроморнисы (Dromornithidae). Все эти необычные существа вымерли в конце плейстоцена. Вероятно, они были истреблены людьми или вымерли из-за климатических изменений. Помимо крупных млекопитающих и птиц, плейстоценовую Австралию также населяли крупные рептилии. Среди них были, например, вараны мегалании (Varanus prisca), которые по некоторым оценкам достигали семиметровой длины, и змеи Wonambi naracoortensis, дораставшие до четырех-шести метров в длину. Команда палеонтологов под руководством Кайлы Торн (Kailah M. Thorn) из Музея Западной Австралии пополнила этот список еще одним видом рептилий, который был намного крупнее современных родственников. В центре внимания исследователей оказались остатки ящериц из семейства сцинков (Scincidae), обнаруженные в плейстоценовых отложениях в пещерах Веллингтона в штате Новый Южный Уэльс. Часть из них в прошлом послужила основой для описания двух вымерших видов: Aethesia frangens (его описали в 2009 году по нижней челюсти) и Tiliqua laticephala (описан по лобной кости в 2013 году). Внимательно изучив многочисленные новые находки, сделанные в пещерах после 2016 года, а также образцы с других местонахождений в Новом Южном Уэльсе и Квинсленде, Торн и ее соавторы пришли к выводу, что A. frangens и Tiliqua laticephala следует считать одним видом из современного рода тиликв (или, как их еще называют, исполинских ящериц). Он получил название Tiliqua frangens. По словам исследователей, T. frangens был очень похож на современного короткохвостого сцинка (Tiliqua rugosa), который широко распространен в саваннах и полупустынях на юге Австралии. Однако вымерший вид был вдвое крупнее: он весил 2,4 килограмма и достигал около 60 сантиметров в длину. Таким образом, он был самым крупным видом сцинков, известным науке. Кроме того, T. frangens отличался гипертрофированными заостренными остеодермами, из-за которых выглядел колючим. Предки T. frangens и T. rugosa, вероятно, разошлись около 11,2 миллиона лет назад. Торн и ее коллеги предполагают, что вымерший сцинк населял полупустынные открытые равнины. Здесь он был хорошо заметен для хищников, от которых его защищала колючая броня из остеодерм. При этом сам T. frangens, судя по строению его черепа, питался растениями. Таким образом, он занимал в плейстоценовой Австралии экологическую нишу, которую на других континентах занимают наземные черепахи (Testudinidae). По словам авторов, подходящая для T. frangens среда обитания существует на континенте и сегодня, так что этот вид вряд ли вымер из-за климатических изменений. Скорее всего, его истребили люди. Открытие в очередной раз подчеркивает, что плейстоценовое вымирание погубило не только животных, которых традиционно относят к мегафауне. Его жертвами также зачастую становились самые крупные и анатомически необычные виды из групп, остальные представители которых отличаются скромными размерами. Ранее мы рассказывали о том, как палеонтологи описали первого австралийского грифа. Он получил название Cryptogyps lacertosus. Вероятно, этот падальщик питался трупами местной мегафауны — и вымер после ее исчезновения.