Палеонтологи из Университета Юты Дэвид Питерман и Кэтлин Риттербуш знают, что одно дело использовать математику и физику, чтобы понять, как древние морские существа перемещались в воде. Другое дело - поместить копии этих существ в воду и убедиться в этом самим. Они входят в число ученых, которые с помощью ряда методов, включая цифровые модели и 3D-печатные копии, «дефоссилизируют» животных прошлого, чтобы узнать, как они жили.
Петерман, Риттербуш и их коллеги перенесли трехмерные печатные реконструкции ископаемых головоногих в настоящие резервуары с водой (в том числе в бассейн Университета Юты), чтобы увидеть, как структура их панциря может быть связана с их движением и образом жизни. Их исследование опубликовано в журнале PeerJ и в предстоящем мемориальном томе покойному палеонтологу Уильяму Коббану. Они обнаружили, что головоногие моллюски с прямыми панцирями, называемые ортоконусами, вероятно, жили вертикально, взлетая и опускаясь, чтобы поймать пищу и уклониться от хищников. Другие со спиральными раковинами, называемые черепаховыми, добавляли легкое вращение к своим вертикальным движениям.
«Благодаря этим новым методам, - говорит Петерман, научный сотрудник с докторской степенью на факультете геологии и геофизики, - мы можем проникнуть в практически неизведанную область палеобиологии. Благодаря подробному моделированию эти методы помогают нарисовать более четкую картину. возможностей этих экологически значимых животных при их жизни."
Исследователи являются ветеранами этого стиля «виртуальной палеонтологии», работая с цифровыми моделями аммоноидей и 3D-печатными версиями, чтобы проверить гипотезы об их эволюции и образе жизни. Раковины большинства аммоноидеев свернуты спиралью, как у современных наутилусов с камерами, и они летают по океану во всех направлениях.
Но в своем исследовании, опубликованном в PeerJ, Петерман и Риттербуш, доцент кафедры геологии и геофизики, исследовали другую форму оболочки - ортоконус с прямой оболочкой. Прямые раковины эволюционировали несколько раз в разных линиях на протяжении всей летописи окаменелостей, что позволяет предположить, что они имели некоторую адаптивную ценность.
"Это важно, потому что ортоконусы охватывают огромный отрезок времени и представлены сотнями родов [множественное число от рода]", - говорит Петерман, и многие реконструкции и диорамы показывают ортоконусы как горизонтальных пловцов, таких как кальмары. «Они были основными компонентами морских экосистем, но мы очень мало знаем об их плавательных способностях."
Итак, он и Риттербуш сделали 3D-сканирование окаменелостей Baculites compressus, вида ортоконуса, жившего в меловой период, и разработали четыре разные цифровые модели, каждая из которых имеет разные физические свойства. Найдите цифровую модель ортоконуса здесь.
Как они узнали, как взвешивать структуры моделей? «Математика, - говорит Питерман. Они скорректировали центры масс и противовесы в моделях, представляя баланс мягких тканей и заполненных воздухом пустот, которые, вероятно, сохранялись бы при жизни ортоконуса. «Полученная модель сбалансирована так же, как и живое животное, что позволяет проводить очень подробный анализ их движений», - говорит он.
Полученные трехмерные печатные модели были почти два фута в длину. С помощью Эммы Януш и Марка Вайса из Центра студенческой жизни Джорджа С. Эклза Университета США исследователи установили камеру в части бассейна Багровой лагуны глубиной 7 футов и выпустили модели под воду, чтобы увидеть, как они естественны. взолнованный.
Результаты ясно показали, что наиболее эффективным методом движения было вертикальное, поскольку перемещение из стороны в сторону создавало сильное сопротивление. «Я был удивлен их стабильностью, - говорит Петерман. «Любое отклонение от вертикальной ориентации сопровождается сильным восстанавливающим моментом, поэтому многие виды живых ортоконусов, вероятно, не могли изменить свою ориентацию. Кроме того, источник реактивной тяги расположен так низко, что во время бокового движения значительно энергия будет потеряна из-за раскачивания."
Результаты также показали, что ортоконусы, возможно, были способны развивать высокие скорости среди головоногих моллюсков с панцирем. Это могло бы пригодиться для уклонения от хищников. Глядя на результаты экспериментов в бассейне и подсчитывая время, необходимое для того, чтобы убежать от современных хищников (в качестве замены давно вымершим хищникам ортоконов), они обнаружили, что ортоконы могли взлетать вверх достаточно быстро, чтобы уклоняться от животных, подобных ортоконам. крокодилы или киты. Однако им, возможно, не так повезло против таких быстрых пловцов, как акулы.
Таким образом, большинство видов ортоконусов не могли вести горизонтально-плавающий образ жизни. «Вместо этого, - говорит Петерман, - виды без противовесов в своих панцирях приняли вертикальный образ жизни, либо кормясь у морского дна, либо вертикально мигрируя в толще воды. Хотя ортоконы не были такими спортивными или активными, как современные кальмары, они могли поддерживать способность мешать хищникам уклонениями вверх."
Петерман и Риттербуш вместе с недавним выпускником Николасом Хебдоном и Райаном Шеллом из Музейного центра Цинциннати также провели аналогичную серию экспериментов с черепахами, меньшими головоногими моллюсками с раковиной в форме штопора. Результаты будут опубликованы в специальном выпуске Американской ассоциации геологов-нефтяников и Геологической ассоциации штата Вайоминг - Взгляд на меловой период: опираясь на наследие Уильяма А. Коббана (1916-2015). Хотя черепахи, вероятно, также предпочитали вертикальное движение, их форма приводила к другому результату в воде, говорит Петерман.«В то время как ортиконы были мастерами вертикального движения, тортиконы были мастерами вращения».
Многие современные моллюски имеют похожие спиралевидные раковины, и некоторые исследователи ранее предполагали, что черепахи могли вести подобный образ жизни, ползая по морскому дну. «Однако, - говорит Петерман, - гидростатические модели демонстрируют, что камерные раковины черепаховых аммоноидей обладали способностью к нейтральной плавучести, которая освободила бы их от морского дна. Эти аммоноидеи испытывают различные формы движения, возможные только при свободно плавающем образе жизни.."
В ходе экспериментов, проведенных в резервуаре для воды объемом 50 галлонов (бассейн не требуется для 6-дюймовых моделей черепах, которые доступны в цифровом виде здесь), команда обнаружила, что черепахи естественным образом и эффективно вращаются в воде только из-за к форме раковины, мягко вращаясь лицом вперед при спуске и вращаясь в противоположном направлении при подъеме. Кроме того, они обнаружили, что размещение источника тяги тортиконов относительно их центра масс улучшило бы эффективность активного вращения.
Вращение во время спуска, говорит Петерман, возможно, помогало черепахам питаться, позволяя им питаться мелкими планктонными организмами.
«Я был удивлен тем, как легко могут вращаться черепахи, - говорит Петерман. «Даже небольшие толчки, такие как дыхание [жаберная вентиляция], могли вызвать вращение со скоростью 20 градусов в секунду».
И ортиконы, и тортиконы, из-за их неоднократного появления в летописи окаменелостей, не только показывают, что головоногие находили некоторое преимущество в прямой или спиральной раковине, в отличие от их закрученной раковины в форме наутилуса, но и что нескрученная раковина могли возникнуть во времена «экологического насыщения», когда экологические ниши свернувшихся в кольцо головоногих были заполнены.
Петерман говорит, что эта работа требует пересмотра нашего представления о древнем океане.
«Эти эксперименты, - говорит он, - меняют наше понимание древних экосистем. Вместо того чтобы ползать по морскому дну, как улитки, или быстро плавать, как современные кальмары, эти животные вели довольно уникальный образ жизни. Эти эксперименты уточняют наше понимание этих животных, рисуя картину древних морских пейзажей, усеянную спиральными головоногими моллюсками и вертикально ориентированными ортоконусами».