Plesiosaurussen, die ongeveer 210 miljoen jaar geleden leefden, pasten zich op een unieke manier aan het leven onder water aan:hun voor- en achterpoten evolueerden in de loop van de evolutie tot vier uniforme, vleugelachtige vinnen. In haar scriptie, begeleid aan de Ruhr-Universität Bochum en de Universiteit van Bonn, onderzocht dr. Anna Krahl hoe ze deze gebruikten om zich door het water te bewegen. Mede door gebruik te maken van de eindige-elementenmethode, die veel wordt gebruikt in de techniek, kon ze aantonen dat het nodig was om de vinnen te draaien om vooruit te komen. Ze kon de bewegingsvolgorde reconstrueren met behulp van botten, modellen en reconstructies van de spieren. Ze rapporteert haar bevindingen in de PeerJ tijdschrift op 3 juni 2022.

Plesiosaurussen behoren tot een groep sauriërs genaamd Sauropterygia, of peddelhagedissen, die zich opnieuw aanpasten aan het leven in de oceanen. Ze evolueerden 210 miljoen jaar geleden in het late Trias, leefden in dezelfde tijd als de dinosauriërs en stierven uit aan het einde van het Krijt. Plesiosaurussen worden gekenmerkt door een vaak extreem langwerpige nek met een kleine kop - de elasmosauriërs hebben zelfs de langste nek van alle gewervelde dieren. Maar er waren ook grote roofzuchtige vormen met een vrij korte nek en enorme schedels. Bij alle plesiosaurussen is de nek bevestigd aan een druppelvormig, hydrodynamisch goed aangepast lichaam met een duidelijk verkorte staart.

Onderzoekers vragen zich al 120 jaar af hoe plesiosauriërs zwommen

Het tweede kenmerk dat plesiosauriërs zo ongewoon maakt, zijn hun vier uniforme vleugelachtige vinnen. "De voorpoten omvormen tot vleugelachtige vinnen is relatief gebruikelijk in de evolutie, bijvoorbeeld bij zeeschildpadden. Nooit meer zijn de achterpoten echter geëvolueerd tot een bijna identiek ogende vleugelachtige vleugel", legt Anna Krahl uit, wiens proefschrift werd begeleid door prof.dr. P. Martin Sander (Bonn) en prof.dr. Ulrich Witzel (Bochum). Zeeschildpadden en pinguïns hebben bijvoorbeeld zwemvliezen. Al meer dan 120 jaar hebben onderzoekers in de paleontologie van gewervelde dieren zich afgevraagd hoe plesiosauriërs met deze vier vleugels zouden kunnen zwemmen. Roeiden ze als zoetwaterschildpadden of eenden? Vlogen ze onder water zoals zeeschildpadden en pinguïns? Of combineerden ze onderwatervluchten en roeien zoals moderne zeeleeuwen of de varkensneusschildpad? Het is ook onduidelijk of de voor- en achtervinnen gelijktijdig, in oppositie of uit fase zijn geklapt.

Anna Krahl bestudeert al enkele jaren de lichaamsstructuur van plesiosauriërs. Ze onderzocht de botten van de schouder en de bekkengordel, de voor- en achtervinnen en de schoudergewrichten van de plesiosaurus Cryptoclidus eurymerus uit de Midden-Jura-periode (ongeveer 160 miljoen jaar geleden) op een compleet skelet dat in het Goldfuß Museum van de Universiteit van Bonn. Plesiosaurussen hebben verstijfde elleboog-, knie-, hand- en enkelgewrichten, maar functionerende schouder-, heup- en vingergewrichten.

"Een analyse waarin ze werden vergeleken met moderne zeeschildpadden, en gebaseerd op wat er bekend is over hun zwemproces, gaf aan dat plesiosauriërs waarschijnlijk niet in staat waren hun vinnen zo veel te draaien als nodig zou zijn voor roeien", concludeert Krahl, die een van haar samenvat. voorlopige papieren. Roeien is in de eerste plaats een heen en weer beweging die waterweerstand gebruikt om vooruit te komen. De voorkeursrichting van de flipperbeweging bij plesiosauriërs was daarentegen op en neer, zoals gebruikt door onderwatervliegers om voortstuwing te genereren.

De spieren uit de vorige studies werden in dit model gespannen om hun geometrie beter te begrijpen. Het model maakte het ook mogelijk om de positie van de flippers te veranderen om te meten hoeveel spieren worden verlengd of verkort.

De vraag bleef hoe plesiosauriërs uiteindelijk hun vinnen konden draaien om ze in een hydrodynamisch gunstige positie te plaatsen en lift te produceren zonder de bovenarm en dij rond de lengteas te draaien. "Dit zou kunnen werken door de flippers om hun lange as te draaien", zegt Anna Krahl. "Van andere gewervelde dieren, zoals de lederschildpad, is ook aangetoond dat ze deze beweging gebruiken om voortstuwing te genereren door middel van lift." Bij draaien, bijvoorbeeld, buigt u de eerste vinger ver naar beneden en de laatste vinger ver naar boven. De overige vingers overbruggen deze extreme posities zodat de flipperpunt bijna verticaal is zonder dat er een echte rotatie in de schouder of pols nodig is.

Een reconstructie van de spieren van de voor- en achtervinnen voor Cryptoclidus met behulp van reptielen die vandaag de dag leven, toonde aan dat plesiosauriërs een dergelijke draaiing van de vinnen actief mogelijk kunnen maken. Naast klassieke modellen maakten de onderzoekers ook computertomografieën van de humerus en het dijbeen van Cryptoclidus en gebruikten die om virtuele 3D-modellen te maken. "Deze digitale modellen vormden de basis voor het berekenen van de krachten met behulp van een methode die we hebben geleend van engineering:de eindige-elementenmethode of FE", legt Anna Krahl uit. Alle spieren en hun aanhechtingshoeken op de humerus en femur werden virtueel gereproduceerd in een FE-computerprogramma dat fysiologische functionele belastingen kan simuleren, bijvoorbeeld op constructieonderdelen maar ook op prothesen. Op basis van aannames van spierkracht uit een soortgelijk onderzoek bij zeeschildpadden, kon het team de belasting op elk bot berekenen en visualiseren.

Het draaien van de flippers kan indirect worden bewezen

Tijdens een bewegingscyclus worden de ledematen belast door compressie, spanning, buiging en torsie. "Uit de FE-analyses bleek dat de humerus en het dijbeen in de flippers functioneel voornamelijk worden belast door compressie en in veel mindere mate door trekspanning", legt Anna Krahl uit. "Dit betekent dat de plesiosaurus zijn botten heeft gebouwd door zo weinig materiaal te gebruiken als nodig is." Deze natuurlijke staat kan alleen worden gehandhaafd als de spieren die de vinnen draaien en de spieren die zich om het bot wikkelen, worden opgenomen. "We kunnen daarom indirect bewijzen dat plesiosauriërs hun vinnen verdraaiden om efficiënt te kunnen zwemmen", vat Anna Krahl samen.

Het team was ook in staat om krachten te berekenen voor de individuele spieren die de opwaartse en neerwaartse slag veroorzaakten. Zo bleek dat de neerwaartse slag van beide paren flippers krachtiger was dan de opgaande slag. Dit is vergelijkbaar met onze zeeschildpadden van vandaag en anders dan de pinguïns van vandaag, die bij de opwaartse slag dezelfde afstand vooruit gaan als bij de neerwaartse slag. "Plesiosauriërs hebben zich op een heel andere manier aangepast aan het leven in water dan walvissen, bijvoorbeeld", merkt Anna Krahl op, die nu werkt aan de Eberhard Karls University in Tübingen, Duitsland. "Dit unieke pad van evolutie illustreert het belang van paleontologisch onderzoek, omdat het de enige manier is om het volledige scala van wat evolutie teweeg kan brengen te waarderen."