Los plesiosaurios giraban sus aletas para nadar de manera eficiente
Los plesiosaurios, que vivieron hace unos 210 millones de años, se adaptaron a la vida bajo el agua de una manera única: sus patas delanteras y traseras evolucionaron en el curso de la evolución para formar cuatro aletas uniformes parecidas a paletas.
En su tesis supervisada en la Ruhr-Universität Bochum y la Universidad de Bonn, la Dra. Anna Krahl investigó cómo las usaban para moverse por el agua. En parte, mediante el uso del método de elementos finitos, que se usa ampliamente en ingeniería, pudo demostrar que era necesario girar las paletas para avanzar. Pudo reconstruir la secuencia de movimiento utilizando huesos, modelos y reconstrucciones de los músculos.
Los plesiosaurios pertenecen a un grupo de saurios llamados Sauropterygia, o lagartos de paletas, que se readaptaron a vivir en los océanos. Evolucionaron a fines del Triásico hace 210 millones de años, vivieron al mismo tiempo que los dinosaurios y se extinguieron al final del período Cretácico. Los plesiosaurios se caracterizan por un cuello a menudo extremadamente alargado con una pequeña cabeza; los elasmosaurios incluso tienen el cuello más largo de todos los vertebrados.
Pero también había grandes formas depredadoras con un cuello más bien corto y enormes cráneos. En todos los plesiosaurios, el cuello está unido a un cuerpo hidrodinámicamente bien adaptado en forma de lágrima con una cola marcadamente acortada.
Los investigadores se han preguntado durante 120 años cómo nadaban los plesiosaurios
La segunda característica que hace que los plesiosaurios sean tan inusuales son sus cuatro aletas uniformes en forma de paletas. "Tener las patas delanteras transformadas en aletas con forma de paletas es relativamente común en la evolución, por ejemplo, en las tortugas marinas. Sin embargo, nunca más las patas traseras se convirtieron en una paleta similar a un perfil aerodinámico de aspecto casi idéntico", explica Anna Krahl, cuya tesis doctoral fue dirigida por el profesor P. Martin Sander (Bonn) y el profesor Ulrich Witzel (Bochum).
Las tortugas marinas y los pingüinos, por ejemplo, tienen patas palmeadas. Durante más de 120 años, los investigadores de la paleontología de vertebrados se han preguntado cómo podrían haber nadado los plesiosaurios con estas cuatro paletas. ¿Remaban como tortugas de agua dulce o como patos? ¿Volaron bajo el agua como las tortugas marinas y los pingüinos? ¿O combinaron el vuelo submarino y el remo como los leones marinos de hoy en día o la tortuga de nariz de cerdo? Tampoco está claro si las paletas delanteras y traseras se batieron al unísono, en oposición o fuera de fase.
Anna Krahl ha estado estudiando la estructura corporal de los plesiosaurios durante varios años. Examinó los huesos de la cintura escapular y pélvica, las aletas delanteras y traseras y las superficies de la articulación del hombro del plesiosaurio Cryptoclidus eurymerus del período Jurásico medio (hace unos 160 millones de años) en un esqueleto completo que se exhibe en el Museo Goldfuß de la Universidad de Bonn. Los plesiosaurios tienen articulaciones rígidas de codos, rodillas, manos y tobillos, pero articulaciones funcionales de hombros, caderas y dedos.
"El análisis que los comparó con las modernas tortugas marinas, y con base en lo que se sabe sobre su proceso de natación, indicó que los plesiosaurios probablemente no podían rotar sus aletas tanto como sería necesario para remar", concluye Krahl, resumiendo uno de sus artículos preliminares. Remar es principalmente un movimiento de ida y vuelta que utiliza la resistencia del agua para avanzar. La dirección preferida del movimiento de las paletas en los plesiosaurios, por otro lado, era hacia arriba y hacia abajo, como la que usan los voladores submarinos para generar propulsión.
Imagen: Modelo análogo de la miología de Cryptoclidus eurymerus (esqueleto montado IGPB R 324), cintura pélvica y aleta trasera en vista ventral.
En este modelo se ensartaron los músculos de los estudios anteriores para comprender mejor su geometría. El modelo también permitió cambiar las posiciones de las paletas para medir cuánto se alargan o acortan los músculos.
La pregunta seguía siendo cómo los plesiosaurios podrían en última instancia torcer sus paletas para colocarlas en una posición hidrodinámicamente favorable y producir sustentación sin rotar la parte superior del brazo y el muslo alrededor del eje longitudinal. "Esto podría funcionar girando las aletas alrededor de su eje largo", dice Anna Krahl. "También se ha demostrado que otros vertebrados, como la tortuga laúd, utilizan este movimiento para generar propulsión a través de la sustentación".
Torcer, por ejemplo, implica doblar el dedo índice hacia abajo y el dedo índice hacia arriba. Los dedos restantes unen estas posiciones extremas para que la punta de la paleta esté casi vertical sin requerir ninguna rotación real en el hombro o la muñeca.
Una reconstrucción de los músculos de las paletas delanteras y traseras del Cryptoclidus utilizando reptiles vivos hoy en día mostró que los plesiosaurios podrían permitir activamente tal torsión de paletas. Además de los modelos clásicos, los investigadores también realizaron tomografías computarizadas del húmero y el fémur del Cryptoclidus y las utilizaron para crear modelos virtuales en 3D.
"Estos modelos digitales fueron la base para calcular las fuerzas utilizando un método que tomamos prestado de la ingeniería: el método de elementos finitos o FE", explica Anna Krahl.
Todos los músculos y sus ángulos de inserción en el húmero y el fémur se reprodujeron virtualmente en un programa informático FE que puede simular cargas funcionales fisiológicas, por ejemplo, en componentes de construcción pero también en prótesis. Basado en suposiciones de fuerza muscular de un estudio similar en tortugas marinas, el equipo pudo calcular y visualizar la carga en cada hueso.
Imagen: Los músculos de los estudios anteriores se ensartaron en este modelo para comprender mejor su geometría. El modelo también permitió cambiar las posiciones de las aletas para medir cuánto se alargan o acortan los músculos.
La torsión de las aletas se puede probar indirectamente
Durante un ciclo de movimiento, los huesos de las extremidades se cargan mediante compresión, tensión, flexión y torsión. "Los análisis FE mostraron que el húmero y el fémur en las aletas están funcionalmente cargados principalmente por compresión y, en mucha menor medida, por tensión", explica Anna Krahl. "Esto significa que el plesiosaurio construyó sus huesos usando la menor cantidad de material necesario".
Este estado natural solo se puede mantener si se incluyen los músculos que giran las aletas y los músculos que envuelven el hueso. "Por lo tanto, podemos demostrar indirectamente que los plesiosaurios giraban sus aletas para nadar de manera eficiente", resume Anna Krahl.
El equipo también pudo calcular las fuerzas de los músculos individuales que generaban la carrera ascendente y descendente. Por ejemplo, resultó que la carrera descendente de ambos pares de paletas era más poderosa que la carrera ascendente. Esto es comparable a nuestras tortugas marinas de hoy y diferente de los pingüinos de hoy, que avanzan la misma distancia con la carrera ascendente que con la descendente.
"Los plesiosaurios se adaptaron a la vida en el agua de una manera muy diferente a las ballenas, por ejemplo", señala Anna Krahl, que ahora trabaja en la Universidad Eberhard Karls en Tübingen, Alemania. "Este camino único de la evolución ejemplifica la importancia de la investigación paleontológica porque es la única forma en que podemos apreciar la gama completa de lo que puede generar la evolución".
Los hallazgos se informan en la revista PeerJ el 3 de junio de 2022: Determination of muscle strength and function in plesiosaur limbs: finite element structural analyses of Cryptoclidus eurymerus humerus and femur
Imagen de cabecera: Modelo analógico que demuestra LOA de Cryptoclidus eurymerus (IGPB R 324) aletas delanteras y traseras. La cintura pectoral y pélvica se fijaron en un marco de madera. Se colocó espuma de poliestireno gruesa en la cavidad articular de la cavidad glenoidea y del acetábulo. Los hilos negros ayudaron a fijar las aletas en sus respectivas posiciones. Los hilos blancos representan LOA: a) los pasadores de ojo de tornillo se atornillaron en las superficies de inserción del músculo. b) Tres regletas de conexiones eléctricas estaban unidas a un extremo. Con ganchos unidos a cada extremo de la rosca, las LOA se colgaron en los pasadores de ojo de tornillo. Crédito: PeerJ (2022). DOI: 10.7717/peerj.13342 (Ver ampliada la imagen de cabecera)
