Хвіст заощадив динозавру енергію при ходьбі

Вчені побудували механічну мускульно-скелетну модель переміщення динозавра, в якій змогли врахувати тривимірні осьові рухи тіла. У результаті вони з'ясували, що хвіст тварини дозволяє скомпенсувати обертальний момент тіла, заощаджуючи таким образів до 18 відсотків енергії, що витрачається на рух. Дослідження опубліковано в.

Рух тварин (локомоція) - це один з ключових аспектів, важливих для розуміння біології існуючих і вимерлих видів. В останньому випадку висновки доводиться робити або з вивчення кісток і слідів, або озираючись на оторні властивості їх нині існуючих родичів. Обидва підходи - непрямі, а тому не завжди точні.

Існує третій підхід, що спирається на обчислювальні біомеханічні методи. Моделювання руху померлих тварин дозволяє робити висновки про навантаження на їх скелет, м'язові функції, поведінку кінцівок і багато іншого. Великий успіх у цьому напрямку пов'язаний із застосуваннями методів оптимізації, метою яких було передбачати максимально природну механічну поведінку організму. Фактично, такий підхід дозволяє достовірно передбачати особливості руху тварини, ґрунтуючись лише на інформації про структуру її тіла, без залучення додаткових даних, одержуваних зі спостереження за нею в природі.

Сучасні приклади такого моделювання сконцентровані переважно навколо поведінки гомінід і нептичих динозаврів. Складність використовуваних там рівнянь вимагає або застосування суперкомп'ютерів, або якихось спрощень, щоб час розрахунку був розумним. З цієї причини опис руху двоногих динозаврів обмежувався 2- або 2,5-мірними моделями, де майже завжди ігнорувалася роль осьових сегментів тіла. Зокрема, хвосту традиційно віддається роль статичної противаги.

Команда дослідників з Бельгії і Великобританії за участю Пітера Бішопа (Peter Bishop) з Королівського ветеринарного коледжу вирішила врахувати тривимірні осьові рухи тіла при переміщенні динозавра. В результаті вони з'ясували, що хвіст теропод відіграє куди більш важливу динамічну роль, ніж передбачалося раніше, а саме, допомагає економити енергію при русі, компенсуючи обертальний момент тіла.

Для досягнення цієї мети автори розробили формалізм, що дозволяє симулювати прямолінійний рух тероподів, викликаний роботою м'язів. Для верифікації формалізму вони змоделювали аналогічний рух для - нині живучої птиці сімейства тинаму, гомолога і аналога нептичих теропод. Вчені моделювали повільне (0,39 метрів в секунду) і швидке (2,62 метра в секунду) переміщення без використання будь-яких експериментальних даних, проте результат симуляції показав гарну згоду з тим, як ці птахи рухаються насправді.

Потім дослідники перейшли до симуляції ходи безпосередньо целофізу. В цілому результати розрахунків опинилися у згоді з оцінками, зробленими їх колегами раніше за допомогою інших підходів, наприклад, про максимальну швидкість його бігу, яка склала 6,65 метрів в секунду. Разом з тим вчені виявили яскраво виражені рухи шиї і особливо хвоста, які суперечили попереднім статичним моделям.

Докладний аналіз кінематики моделі показав, що рухи хвоста тісно пов'язані з рухом задніх кінцівок, компенсуючи виникаючий кутовий момент. Для оцінки впливу хвостових рухів на загальну механічну продуктивність мульскульно-скелетної структури, автори провели серію симуляцій, що включають відсутність у целофізу хвоста, чия маса і момент інерції були перенесені в тулуб. В останньому випадку виявилося, що безхвостому динозавру довелося б витрачати на 18 відсотків більше зусиль. Це показало, що у хвоста були важливі динамічні функції - мабуть, він працює біля теропод аналогічно людським рукам при ходьбі.

Автори відзначають, що вивчення ролі хвоста в русі вимагає додаткових досліджень, оскільки форми хвостів сильно варіюються в межах різних скарб двоногих динозаврів. Те ж саме стосується й інших пропорцій тіла, наприклад, кінцівок.

Розуміння біомеханіки динозаврів, особливо теропод, постійно розвивається. Так, нещодавно ми розповідали, як вчені пов'язали особливості пересування у різних видів теропод з їх розмірами.