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环球热消息:解开困扰科学家120年的谜团:蛇颈龙是如何游泳的?

2022-08-05 09:32:19  来源:cnBeta

Anna通过使用工程中经常使用的有限元法,部分证明了扭动脚蹼对前进运动至关重要。利用骨骼、肌肉模型和肌肉的重建,她能够重现运动序列。她的研究结果最近发表在《PeerJ》杂志上。

蛇颈龙是鳍龙目的成员,通常被称为“划水蜥蜴”,是一群重新适应了水中生活的有尾动物。它们大约生活2.1亿年前的三叠纪晚期,与恐龙共存,并在白垩纪末期消亡。

蛇颈龙的特点是它们通常有超长的脖子和很小的头;薄片龙甚至有所有脊椎动物中最长的脖子。另一方面,也有巨大的掠食性类型,具有短的脖子和巨大的头骨。颈部与水滴形、水动力良好的身体相联系,在所有的蛇颈龙中都有明显的缩短。


(资料图片仅供参考)

“在进化过程中,前肢转变为类似翅膀的脚蹼是比较常见的,例如在海龟中。然而,后肢进化成一个几乎相同的看起来像机翼的翅膀的情况从未发生过,”Anna Krahl解释说,她的博士论文由Martin Sander 教授(波恩大学)和Ulrich Witzel 教授(波鸿鲁尔大学)指导。

例如,海龟和企鹅都有脚蹼。120多年来,脊椎动物古生物学的研究人员一直困惑于多足动物如何用这四只“翅膀”来游泳。他们是否像淡水龟或鸭子一样划水?它们是否像海龟和企鹅一样在水下潜行?还是像现代的海狮或猪鼻龟那样把水下潜行和划水结合起来?目前还不清楚前后两只脚蹼是统一拍打,还是对立拍打,还是相位不齐。

Anna Krahl几年来一直在研究蛇颈龙的身体结构。她在波恩大学Goldfuß博物馆展出的一副完整的骨架上检查了中侏罗纪时期(大约1.6亿年前)的双壳类动物Cryptoclidus eurymerus的肩部和骨盆腰部的骨头、前脚掌和后脚掌以及肩关节面。蛇颈龙的肘关节、膝关节、手关节和踝关节都是僵硬的,但肩关节、髋关节和手指关节是正常的。

Krahl在总结她的一篇初步论文时说:“将它们与现代海龟进行比较的分析,并基于对它们游泳过程的了解,表明蛇颈龙动物可能无法像划水所需的那样旋转它们的脚蹼。划水主要是一个来回运动,利用水的阻力向前移动。”

另一方面,蛇颈龙的鳍状肢运动的首选方向是上下运动,正如水下飞行器用来产生推进力一样。问题是,蛇颈龙如何能够最终扭转它们的脚蹼,将它们置于一个水动力有利的位置,并在不围绕纵轴旋转上臂和大腿的情况下产生提升。

"这可以通过围绕其长轴扭转脚蹼的方式来实现,"Anna Krahl说。"其他脊椎动物,如棱皮龟,也被证明可以利用这种运动通过升力产生推进力。"例如,扭动包括将第一个手指远远向下弯曲,最后一个手指远远向上弯曲。其余的手指在这些极端的位置上架起桥梁,使鳍状肢的尖端几乎垂直,而不需要在肩部或手腕上做任何真正的旋转。

利用今天活着的爬行动物对浅隐龙的前脚掌和后脚掌的肌肉进行的重建显示,蛇颈龙可以主动实现这种脚掌的扭转。除了经典模型外,研究人员还制作了浅隐龙的肱骨和股骨的计算机断层扫描,并使用它们来创建虚拟的三维模型。

Anna Krahl解释说:“这些数字模型是使用我们从工程学中借用的方法计算力的基础:有限元法。”

所有的肌肉和它们在肱骨和股骨上的附着角度都在一个有限元法计算机程序中得到了虚拟再现,该程序可以模拟生理功能负荷,例如在建筑部件上以及在假肢上。根据对海龟的类似研究中的肌肉力量假设,该团队能够计算并可视化每块骨头上的负荷。

在一个运动周期中,肢体骨骼受到压缩、拉伸、弯曲和扭转的载荷。“有限元法分析显示,脚蹼中的肱骨和股骨在功能上主要受到压缩载荷,而拉伸应力的程度要小得多,”Anna Krahl解释说。

“这意味着蛇颈龙通过使用尽可能少的材料来构建其骨骼。只有在包括扭动脚蹼的肌肉和包裹骨头的肌肉时,才能保持这种自然状态。因此,我们可以间接地证明,蛇颈龙为了有效地游泳而扭转它们的脚蹼,”Anna Krahl总结说。

研究小组还能够计算出产生上冲和下冲的各个肌肉的力量。例如,据了解,两对脚蹼的下划动作比上划动作更有力。这与我们今天的海龟相当,而与今天的企鹅不同,企鹅的上冲动作与下冲动作的距离相同。

Anna Krah指出:“蛇颈龙以一种与鲸鱼等非常不同的方式适应了水中的生活。"这种独特的进化之路体现了古生物学研究的重要性,因为只有这样,我们才能领略到进化所能带来的全部内容。”

关键词: 科学探索 解开困扰科学家120年的谜团蛇颈龙是如何游泳

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