Réplicas impresas en 3D revelan la capacidad de natación de antiguos cefalópodos

David Peterman muestra un amonite planispiral

Arriba: David Peterman en el AMMLab (Laboratorio de modelado de motilidad ammonoide) sosteniendo una reconstrucción impresa en 3D del amonite planispiral, Paracoroniceras lyra. Crédito: David Peterman

Paleontólogos están "desfosilizando" animales del pasado para aprender cómo vivían

Los paleontólogos de la Universidad de Utah, David Peterman y Kathleen Ritterbush, saben que una cosa es usar las matemáticas y la física para comprender cómo se movían las antiguas criaturas marinas a través del agua. Otra cosa es poner réplicas de esas criaturas en el agua y verlo por sí mismos.

Se encuentran entre los científicos que, a través de una variedad de métodos, incluidos modelos digitales y réplicas impresas en 3D, están "desfosilizando" animales del pasado para aprender cómo vivían.

Peterman, Ritterbush y sus colegas llevaron reconstrucciones impresas en 3D de cefalópodos fósiles a tanques de agua reales (incluida una piscina de la Universidad de Utah) para ver cómo la estructura de su caparazón puede haber estado ligada a su movimiento y estilo de vida.

modelo 3D de Baculites compressus

Imagen: Construcción de un modelo físico impreso en 3D de Baculites compressus a partir de un modelo hidrostático virtual.

Descubrieron que los cefalópodos con caparazones rectos llamados ortoconos probablemente vivían una vida vertical, subiendo y bajando para atrapar comida y evadir a los depredadores. Otros con conchas en espiral, llamadas torticones, agregaron un suave giro a sus movimientos verticales.

"Gracias a estas novedosas técnicas", dice Peterman, un erudito postdoctoral en el Departamento de Geología y Geofísica, "podemos caminar penosamente hacia una frontera en gran parte inexplorada en paleobiología. A través de modelos detallados, estas técnicas ayudan a pintar una imagen más clara de las capacidades de estos animales de importancia ecológica mientras estaban vivos".

Ortoconos

Los investigadores son veteranos de este estilo de "paleontología virtual", habiendo trabajado con modelos digitales de ammonoideos, o más conocidos como amonites, y versiones impresas en 3D para probar hipótesis sobre su evolución y estilos de vida. La mayoría de los ammonoideos tienen caparazones enrollados, como el actual nautilo de cámara (Nautilus pompilius), y se lanzaron alrededor del océano en todas direcciones.

modelo de ortocono en 3D

Imagen: Análisis de seguimiento de movimiento 3-D de un modelo ortocono impreso en 3D.

Pero en su investigación publicada en PeerJ, Peterman y Ritterbush, profesor asistente de Geología y Geofísica, exploraron una forma de concha diferente: el ortocono de caparazón recto. Las conchas rectas evolucionaron varias veces en diferentes linajes a lo largo del registro fósil, lo que sugiere que tenían algún valor adaptativo.

"Esto es importante porque los ortoconos abarcan una gran cantidad de tiempo y están representadas por cientos de géneros", dice Peterman, y muchas reconstrucciones y dioramas muestran a los ortoconos como nadadores horizontales, como los calamares. "Eran componentes importantes de los ecosistemas marinos, sin embargo, sabemos muy poco sobre su capacidad para nadar".

Así que él y Ritterbush tomaron escaneos 3D de fósiles de Baculites compressus, una especie de ortocono que vivió durante el Cretácico, y diseñaron cuatro modelos digitales diferentes, cada uno con diferentes propiedades físicas. Maneja aquí abajo un modelo digital de ortocono.

¿Cómo supieron ponderar las estructuras de los modelos? "Matemáticas", dice Peterman. Ajustaron los centros de masa y contrapesos dentro de los modelos, que representan los equilibrios de los tejidos blandos y los vacíos llenos de aire que el ortocono probablemente habría mantenido en su vida. "El modelo resultante se equilibra igual que el animal vivo, lo que permite análisis muy detallados de su movimiento", dice.

Los modelos impresos en 3D resultantes tenían casi dos pies de largo (60 cm). Con la ayuda de Emma Janusz y Mark Weiss en el Centro de Vida Estudiantil George S. Eccles, los investigadores instalaron una plataforma de cámara en una parte de 7 pies de profundidad de la piscina Crimson Lagoon y lanzaron los modelos bajo el agua para ver cómo se movían naturalmente.

Los resultados mostraron claramente que el método de movimiento más eficiente era el vertical, ya que moverse de lado a lado creaba mucha resistencia. "Me sorprendió lo estables que eran", dice Peterman. "Cualquier cantidad de rotación que se aleje de su orientación vertical se encuentra con un fuerte momento de restauración, por lo que muchas especies de ortoconos vivientes probablemente no pudieron modificar sus propias orientaciones. Además, la fuente de empuje del chorro está situada tan baja que, durante el movimiento lateral, se perdería mucha energía debido al balanceo".

amonite ortocono Baculites compressus

Imagen: Reconstrucción del amonite ortocono, Baculites compressus.

Los resultados también mostraron que los ortoconos pueden haber sido capaces de alcanzar altas velocidades entre los cefalópodos con caparazón. Eso podría haber sido útil para evadir a los depredadores. Al observar los resultados de los experimentos de la piscina y calcular el tiempo necesario para escapar de los depredadores modernos (como sustitutos de los depredadores extintos de los ortocones), encontraron que los ortoconos pueden haber sido capaces de volar hacia arriba lo suficientemente rápido como para evadir animales similares a los cocodrilos o ballenas. Sin embargo, es posible que no hayan tenido tanta suerte contra nadadores rápidos como los tiburones.

Entonces, la mayoría de las especies de ortocones no podrían haber vivido un estilo de vida de natación horizontal. "En cambio", dice Peterman, "las especies sin contrapesos en sus conchas asumieron un hábito de vida vertical, ya sea alimentándose cerca del lecho marino o migrando verticalmente en la columna de agua.Si bien los ortoconos no eran tan atléticos o activos como los calamares modernos, podrían haber mantenido la capacidad de frustrar a los depredadores con esquivas ascendentes".

escape vertical de un depredador

Imagen: Diagrama de escape vertical de depredadores y términos relacionados.

esquivar o no a un depredador

Imagen: Escenarios que implican esquivar con éxito (A) y esquivar sin éxito (B).

Torticonos

Peterman y Ritterbush, junto con los recién graduados Nicholas Hebdon y Ryan Shell del Cincinnati Museum Center, también realizaron un conjunto similar de experimentos con torticones, cefalópodos más pequeños con una concha en forma de sacacorchos. Los resultados se publicarán en el volumen especial de la Asociación Estadounidense de Geólogos del Petróleo y la Asociación Geológica de Wyoming: "Insights into the Cretaceous: Building on the Legacy of William A. Cobban (1916-2015)" [PDF].

Aunque los torticones probablemente también prefirieron el movimiento vertical, su forma provocó un resultado diferente en el agua, dice Peterman. "Mientras que los ortocones eran maestros del movimiento vertical, los torticones eran maestros de la rotación".

Hoy en día, muchos moluscos tienen conchas helicoidales similares, y algunos investigadores asumieron anteriormente que los torticones pueden haber tenido un estilo de vida similar, arrastrándose por el lecho marino. "Sin embargo", dice Peterman, "los modelos hidrostáticos demuestran que los caparazones de torticones amonoides tenían la capacidad de flotabilidad neutra, lo que los habría liberado del lecho marino. Estos ammonoideos experimentan diferentes formas de movimiento que solo son posibles en un estilo de vida de natación libre".

En experimentos llevados a cabo en un tanque de agua de 50 galones (no se necesita piscina para los modelos de torticona de 6 pulgadas de largo que están disponibles digitalmente aquí), el equipo descubrió que los torticones rotaban de manera natural y eficiente en el agua solo debido a la forma del concha, girando suavemente la cara primero al descender y girando en la dirección opuesta al ascender. Además, descubrieron que la ubicación de la fuente de empuje de los torticones en relación con su centro de masa habría mejorado la eficiencia de la rotación activa.

amonite torticono Mariella brazoensisImagen derecha: Reconstrucción del amonite torticono, Mariella brazoensis.

Girar mientras desciende, dice Peterman, puede haber ayudado a los torticones a alimentarse, permitiéndoles pastar en pequeños organismos planctónicos.

"Me sorprendió lo fácil que podían rotar los torticones", dice Peterman. "Incluso pequeños empujes como respirar [ventilación por branquias] podrían haber producido una rotación de 20 grados por segundo".

Tanto los ortoconos como los torticonos, debido a su repetida aparición a lo largo del registro fósil, no solo muestran que los cefalópodos encontraron alguna ventaja en una concha recta o helicoidal, a diferencia de su caparazón enrollado en forma de nautilo, sino que que un caparazón desenrollado podría haber evolucionado en tiempos de "saturación ecológica", cuando estaban llenos los nichos ecológicos de cefalópodos enrollados.

Peterman dice que este trabajo requiere una revisión de cómo imaginamos el océano antiguo.

"Estos experimentos", dice, "transforman nuestra comprensión de los ecosistemas antiguos. En lugar de arrastrarse por el lecho marino como caracoles, o nadar rápidamente como el calamar moderno, estos animales estaban asumiendo estilos de vida bastante únicos. Estos experimentos refinan nuestra comprensión de estos animales al pintar una imagen de antiguos paisajes marinos salpicados de cefalópodos helicoidales que hacen piruetas y ortoconos orientados verticalmente".

Su investigación se publica en PeerJ: Vertical escape tactics and movement potential of orthoconic cephalopods

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