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