Как плезиозавры плавали под водой

Плезиозавры, жившие около 210 миллионов лет назад, уникальным образом адаптировались к жизни в воде: их передние и задние конечности в ходе эволюции превратились в четыре одинаковых крылообразных ласта. В своей диссертации под руководством Рурского университета в Бохуме и Боннского университета доктор Анна Краль исследовала, как они использовали их для передвижения в воде. Частично с помощью метода конечных элементов, широко применяемого в инженерии, она смогла показать, что для движения вперёд было необходимо скручивание ластов. Последовательность движений она реконструировала, используя кости, модели и реконструкции мышц. Свои выводы она представила в журнале PeerJ 3 июня 2022 года.

Загадка плавания плезиозавров длиной в 120 лет

Вторая необычная черта плезиозавров — их четыре одинаковых крылообразных ласта. «Превращение передних конечностей в ласты-крылья относительно часто встречается в эволюции, например, у морских черепах. Однако никогда больше задние конечности не эволюционировали в почти идентичное крыло», — объясняет Анна Краль. Более 120 лет исследователи ломали голову над тем, как плезиозавры могли плавать с этими четырьмя «крыльями»: гребли, как пресноводные черепахи, «летали» под водой, как морские черепахи и пингвины, или сочетали оба способа?

Анализ костей и суставов

Изучая скелет плезиозавра Cryptoclidus eurymerus (средняя юра, около 160 млн лет назад), Краль установила, что у плезиозавров были скованные локтевые, коленные, кистевые и голеностопные суставы, но функционирующие плечевые, тазобедренные и суставы пальцев. Сравнение с современными морскими черепахами показало, что плезиозавры, вероятно, не могли вращать ластами в степени, необходимой для гребли. Предпочтительным направлением движения ластов было вверх-вниз, как у подводных «летунов».

Роль скручивания ластов

Ключевой вопрос: как плезиозавры поворачивали ласты в гидродинамически выгодное положение для создания подъёмной силы, не вращая плечом или бедром? Решением могло быть скручивание ласта вокруг его длинной оси — техника, используемая, например, кожистой черепахой. Это достигается за счёт крайних положений пальцев: первый палец сильно сгибается вниз, а последний — вверх, в результате кончик ласта становится почти вертикальным.

Реконструкция мышц передних и задних ластов Cryptoclidus показала, что плезиозавры могли активно осуществлять такое скручивание.

Доказательства с помощью метода конечных элементов (FE)

Используя компьютерную томографию, исследователи создали виртуальные 3D-модели плечевой и бедренной кости Cryptoclidus. В программе FE, применяемой в инженерии, были смоделированы мышцы и углы их прикрепления. На основе данных о силе мышц морских черепах команда рассчитала нагрузку на каждую кость.

Анализ показал, что плечевая и бедренная кости в ластах в основном нагружались сжатием и в гораздо меньшей степени растяжением. «Это означает, что плезиозавр строил свои кости, используя минимум материала», — объясняет Краль. Такое естественное состояние могло поддерживаться только при работе мышц, скручивающих ласт и охватывающих кость. «Таким образом, мы можем косвенно доказать, что плезиозавры скручивали ласты для эффективного плавания», — резюмирует Анна Краль.

Расчёты также показали, что гребок вниз у обеих пар ластов был мощнее, чем гребок вверх, что сближает их с современными морскими черепахами и отличает от пингвинов.

Эволюционная уникальность

«Плезиозавры адаптировались к жизни в воде совершенно иначе, чем, например, киты, — отмечает Анна Краль. — Этот уникальный эволюционный путь подчёркивает важность палеонтологических исследований, поскольку только так мы можем оценить весь спектр возможностей эволюции».