Modello analogico che dimostra LOA di Cryptoclidus eurymerus (IGPB R 324) fore-e hindflipper. La cintura pettorale e pelvica era fissata su un telaio di legno. Il polistirolo spesso è stato inserito nella cavità glenoidea e dell'acetabolo. I fili neri hanno aiutato a fissare le pinne nella rispettiva posizione. I fili bianchi rappresentano LOA:a) i perni a vite sono stati avvitati nelle superfici di attacco muscolare. b) Tre morsettiere elettriche sono state fissate a un'estremità. Con i ganci attaccati a ciascuna estremità del filo, i LOA sono stati appesi ai perni a vite. Credito:PeerJ (2022). DOI:10.7717/peerj.13342
I plesiosauri, vissuti circa 210 milioni di anni fa, si sono adattati alla vita sott'acqua in un modo unico:le loro zampe anteriori e posteriori si sono evolute nel corso dell'evoluzione per formare quattro pinne uniformi simili ad ali. Nella sua tesi supervisionata presso la Ruhr-Universität Bochum e l'Università di Bonn, la dott.ssa Anna Krahl ha studiato il modo in cui le usavano per muoversi nell'acqua. In parte utilizzando il metodo degli elementi finiti, ampiamente utilizzato in ingegneria, è stata in grado di dimostrare che era necessario ruotare le pinne per andare avanti. È stata in grado di ricostruire la sequenza del movimento utilizzando ossa, modelli e ricostruzioni dei muscoli. Riporta le sue scoperte nel PeerJ rivista il 3 giugno 2022.
I plesiosauri appartengono a un gruppo di sauri chiamati Sauropterygia, o lucertole pagaia, che si sono riadattati a vivere negli oceani. Si sono evoluti nel tardo Triassico 210 milioni di anni fa, vissero contemporaneamente ai dinosauri e si estinsero alla fine del periodo Cretaceo. I plesiosauri sono caratterizzati da un collo spesso estremamente allungato con una piccola testa:gli elasmosauri hanno persino il collo più lungo di tutti i vertebrati. Ma c'erano anche grandi forme predatorie con un collo piuttosto corto e teschi enormi. In tutti i plesiosauri, il collo è attaccato a un corpo a forma di lacrima, ben adattato idrodinamicamente con una coda notevolmente accorciata.
I ricercatori hanno perplesso per 120 anni il modo in cui nuotavano i plesiosauri
La seconda caratteristica che rende i plesiosauri così insoliti sono le loro quattro pinne uniformi simili ad ali. "La trasformazione delle zampe anteriori in pinne simili ad ali è relativamente comune nell'evoluzione, ad esempio nelle tartarughe marine. Mai più, tuttavia, le zampe posteriori si sono evolute in un'ala simile a un profilo aerodinamico dall'aspetto quasi identico", spiega Anna Krahl, la cui la tesi di dottorato è stata supervisionata dal professor P. Martin Sander (Bonn) e dal professor Ulrich Witzel (Bochum). Le tartarughe marine e i pinguini, ad esempio, hanno i piedi palmati. Per più di 120 anni, i ricercatori di paleontologia dei vertebrati si sono interrogati su come i plesiosauri potrebbero aver nuotato con queste quattro ali. Remavano come tartarughe d'acqua dolce o anatre? Volavano sott'acqua come tartarughe marine e pinguini? O combinavano il volo sott'acqua e il canottaggio come i leoni marini dei giorni nostri o la tartaruga dal naso di maiale? Non è inoltre chiaro se le alette anteriori e posteriori siano state sventolate all'unisono, in opposizione o fuori fase.
Anna Krahl studia da diversi anni la struttura corporea dei plesiosauri. Ha esaminato le ossa della spalla e della cintura pelvica, le pinne anteriori e posteriori e le superfici articolari della spalla del plesiosauro Cryptoclidus eurymerus del Giurassico medio (circa 160 milioni di anni fa) su uno scheletro completo esposto nel Museo Goldfuß del Università di Bonn. I plesiosauri hanno articolazioni di gomito, ginocchio, mano e caviglia irrigidite, ma articolazioni della spalla, dell'anca e delle dita funzionanti.
"L'analisi che li ha confrontati con le tartarughe marine moderne e, sulla base di ciò che è noto sul loro processo di nuoto, ha indicato che i plesiosauri probabilmente non erano in grado di ruotare le pinne quanto sarebbe necessario per il canottaggio", conclude Krahl, riassumendo uno dei suoi documenti preliminari. Il canottaggio è principalmente un movimento avanti e indietro che utilizza la resistenza all'acqua per andare avanti. La direzione preferita del movimento della pinna nei plesiosauri, d'altra parte, era su e giù, usata dai volantini subacquei per generare propulsione.
Modello analogico della miologia di Cryptoclidus eurymerus (scheletro montato IGPB R 324), cintura pelvica e pinna posteriore in vista ventrale. (A) Calchi ossei montati con corde bianche che rappresentano le linee d'azione dei muscoli pinna posteriore. (B) Tracciamento della cintura pelvica e della pinna posteriore con linee d'azione muscolari. Abbreviazioni di muscoli:addV, musculus adductor digiti quinti; af, muscolo adduttore femorale; fdlh/fdb, musculus flexor digitorum longus (hindflipper)/musculi flexores digitorum breves; fh, muscolo flessore dell'alluce; fte, muscolo flessore tibiale esterno; fti, muscolo flessore tibiale interno; gi e ge, musculus gastrocnemius internus e musculus gastrocnemius externus; pe, musculus pu-bo-ischiofemoralis externus; fossa, muscolo puboischiotibiale; pti, muscolo pubotibiale; pp, muscolo pronatore profondo; ta, muscolo tibiale anteriore. Abbreviazioni di ossa:f, femore; fi, perone; fib, fibulare; int, intermedio; è ischio; p, pube; t, tibia; tibiale, tibiale; I, cifra uno; II, cifra due; III, cifra tre; IV, cifra quattro; V, cifra cinque. Credito:PeerJ (2022). DOI:10.7717/peerj.13342
I muscoli degli studi precedenti sono stati infilati in questo modello per comprendere meglio la loro geometria. Il modello ha anche consentito di modificare le posizioni delle pinne per misurare quanto i muscoli vengono allungati o accorciati.
La domanda rimaneva come i plesiosauri potessero alla fine ruotare le loro pinne per posizionarle in una posizione idrodinamicamente favorevole e produrre portanza senza ruotare la parte superiore del braccio e la coscia attorno all'asse longitudinale. "Questo potrebbe funzionare ruotando le pinne attorno al loro asse lungo", afferma Anna Krahl. "Anche altri vertebrati, come la tartaruga liuto, hanno dimostrato di utilizzare questo movimento per generare propulsione attraverso il sollevamento". La torsione, ad esempio, implica piegare il primo dito molto verso il basso e l'ultimo dito molto verso l'alto. Le restanti dita collegano queste posizioni estreme in modo che la punta del flipper sia quasi verticale senza richiedere una vera rotazione della spalla o del polso.
Una ricostruzione dei muscoli delle pinne anteriori e posteriori di Cryptoclidus utilizzando rettili vivi oggi ha mostrato che i plesiosauri potrebbero attivare attivamente tale rotazione delle pinne. Oltre ai modelli classici, i ricercatori hanno anche realizzato tomografie computerizzate dell'omero e del femore di Cryptoclidus e le hanno utilizzate per creare modelli 3D virtuali. "Questi modelli digitali sono stati la base per calcolare le forze utilizzando un metodo che abbiamo preso in prestito dall'ingegneria:il metodo degli elementi finiti, o FE", spiega Anna Krahl. Tutti i muscoli e i loro angoli di attacco sull'omero e sul femore sono stati virtualmente riprodotti in un programma informatico FE in grado di simulare carichi funzionali fisiologici, ad esempio sui componenti costruttivi ma anche sulle protesi. Sulla base delle ipotesi sulla forza muscolare di uno studio simile sulle tartarughe marine, il team è stato in grado di calcolare e visualizzare il carico su ciascun osso.
La rotazione delle pinne può essere dimostrata indirettamente
Durante un ciclo di movimento, le ossa degli arti sono caricate da compressione, tensione, flessione e torsione. "Le analisi FE hanno mostrato che l'omero e il femore nelle pinne sono caricati funzionalmente principalmente dalla compressione e in misura molto minore dallo stress da trazione", spiega Anna Krahl. "Ciò significa che il plesiosauro ha costruito le sue ossa usando il poco materiale necessario." Questo stato naturale può essere mantenuto solo se sono inclusi i muscoli che torcono le pinne e i muscoli che avvolgono l'osso. "Possiamo quindi dimostrare indirettamente che i plesiosauri ruotavano le pinne per nuotare in modo efficiente", riassume Anna Krahl.
Il team è stato anche in grado di calcolare le forze per i singoli muscoli che hanno generato la salita e la discesa. Ad esempio, è emerso che la corsa discendente di entrambe le coppie di pinne era più potente della corsa di salita. Questo è paragonabile alle nostre tartarughe marine di oggi e diverso dai pinguini di oggi, che si muovono in avanti della stessa distanza con la corsa in alto che con la corsa in basso. "I plesiosauri si sono adattati alla vita nell'acqua in un modo molto diverso rispetto alle balene, per esempio", osserva Anna Krahl, che ora lavora all'Università Eberhard Karls di Tubinga, in Germania. "Questo percorso unico di evoluzione esemplifica l'importanza della ricerca paleontologica perché è l'unico modo in cui possiamo apprezzare l'intera gamma di ciò che l'evoluzione può portare".
