Inferring the Swimming Mode of Jurassic Plesiosaurs Using Muscle Reconstructions, Bone Histology, and Advanced Finite Element Methods

利用肌肉重建、骨组织学和先进有限元方法推断侏罗纪蛇颈龙的游泳模式

基本信息

  • 批准号:
    270835314
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    德国
  • 项目类别:
    Research Grants
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    德国
  • 起止时间:
    2014-12-31 至 2019-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

After the end-Permian mass extinction, the marine realm quickly recovered, including an adaptive radiation of marine reptiles. One of the most important and long-lasting radiation is the one of the Sauropterygia, of which the Plesiosauria are the most aquatic representatives. The radiation of Plesiosauria occurred in the Jurassic and Cretaceous and lead to a great diversity of taxa but to a low morphological disparity, especially in terms of their extremities. The flippers were transformed to four very similarly-shaped hydrofoils. The locomotor system of plesiosaurs remained practically unchanged for about 135 Ma, implying an optimized energy efficiency for their habitat. Plesiosaurs evolved a unique way of underwater flight in which they employed two pairs of flippers of very similar appearance. Yet, how plesiosaurian underwater flight took place remains unknown due to a lack of fossil and modern analogues. Hence plesiosaur swimming is one of the most challenging phenomena in vertebrate locomotion. We would like to contribute to solving this evolutionary problem by a transdisciplinary set of methods from ingeneering science, paleontology, and biology. First, Caretta caretta, a recent marine turtle will be dissected, measured, and documented for comparison and to gain data that will be used for different finite element methods. The methods include finite element structural analysis (FESA), finite element structural synthesis (FESS), and computational fluid dynamics (CFD). Then plesiosaur flipper muscles will be reconstructed using phylogenetic inference (Extant Phylogenetic Bracket), osteologic correlates, and bone histology. Thorough muscle reconstructions are needed to calculate possible muscle forces with FESA. The results will form the basis for FESS computations to produce finite element syntheses of humeri und femora of Caretta caretta and a plesiosaur. If results of the virtual syntheses match with the fossil finds of plesiosaurs and the preserved specimens of Caretta caretta, muscle reconstructions will be verified. With CFD, possible swimming speeds and the fluid dynamic properties of the plesiosaur flippers will be determined.
二叠纪末大灭绝之后,海洋领域迅速恢复,包括海洋爬行动物的适应性辐射。最重要和最持久的辐射之一是蜥鳍龙类,蛇颈龙类是其中最水生的代表。蛇颈龙类的辐射发生在侏罗纪和白垩纪,导致类群多样性极大,但形态差异较小,特别是在它们的四肢方面。鳍状肢被改造成四个形状非常相似的水翼。蛇颈龙的运动系统在大约 135 Ma 的时间里几乎保持不变,这意味着它们的栖息地的能源效率得到了优化。蛇颈龙进化出了一种独特的水下飞行方式,它们使用两对外观非常相似的鳍状肢。然而,由于缺乏化石和现代类似物,蛇颈龙的水下飞行是如何进行的仍然未知。因此,蛇颈龙游泳是脊椎动物运动中最具挑战性的现象之一。我们希望通过工程科学、古生物学和生物学的一套跨学科方法为解决这一进化问题做出贡献。首先,将对最近出现的海龟 Caretta caretta 进行解剖、测量和记录,以进行比较并获得用于不同有限元方法的数据。这些方法包括有限元结构分析 (FESA)、有限元结构综合 (FESS) 和计算流体动力学 (CFD)。然后,将使用系统发育推断(Extant Phylogenesis Bracket)、骨学相关性和骨组织学来重建蛇颈龙鳍状肢肌肉。需要彻底的肌肉重建才能使用 FESA 计算可能的肌肉力量。结果将构成 FESS 计算的基础,以产生 Caretta caretta 和蛇颈龙的肱骨和股骨的有限元合成。如果虚拟合成的结果与蛇颈龙化石发现和保存的 Caretta caretta 标本相匹配,肌肉重建将得到验证。通过 CFD,将确定可能的游泳速度和蛇颈龙鳍状肢的流体动力学特性。

项目成果

期刊论文数量(1)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Humerus osteology, myology, and finite element structure analysis of Cheloniidae
龟科的肱骨骨学、肌肉学和有限元结构分析
  • DOI:
    10.1002/ar.24311
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    A. Krahl;A. Lipphaus;M. Sander;F. Maffucci;S. Hochscheid;U. Witzel
  • 通讯作者:
    U. Witzel
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