Nadando con los dragones marinos

Figura 1. A) Stenopterygius quadriscissus, un ictiosaurio Jurásico procedente de Holzmaden, Alemania. Imagen tomada de Milner y Barret, 2015[8]. B) modelo 3D de Stenopterygius en un experimento de fluido virtual (CFD). Autor: Susana Gutarra 2018.

Figura 1. A) Stenopterygius quadriscissus, un ictiosaurio Jurásico procedente de Holzmaden, Alemania. Imagen tomada de Milner y Barret, 2015[8]. B) modelo 3D de Stenopterygius en un experimento de fluido virtual (CFD). Autor: Susana Gutarra 2018.

Delfines, focas y tortugas marinas son ejemplos de tetrápodos (vertebrados con dos pares de extremidades) adaptados secundariamente a la vida acuática. Todos ellos respiran por pulmones y conservan caracteres que delatan su pasado terrestre. Son producto de una evolución de millones de años que ha modificado su anatomía, fisiología y comportamiento a través de miles de generaciones. Pero ellos no fueron los primeros en colonizar los mares, la vida en el agua ha sido el destino evolutivo de muchos otros grupos de vertebrados terrestres desde hace más de 300 millones de años.

 

Los reptiles marinos del Mesozoico

 

El Mesozoico (hace 250 – 66 m.a.) es conocido como la era de los reptiles y es famoso por los imponentes dinosaurios que dominaron la tierra, pero además también albergó una increíble diversidad de reptiles marinos. Ictiosaurios, plesiosauros, mosasaurios y talatosuquios son algunos notables miembros de esta formidable fauna acuática ya desaparecida. El primer esqueleto de reptil marino que atrajo la atención de la comunidad científica fue descubierto en 1811 en la costa sur de Inglaterra por una niña de 12 años, Mary Aning, que ayudaba a su familia a sustentarse con la venta de fósiles. Los científicos de entonces, perplejos por su singular anatomía, inicialmente creyeron que era un pez y posteriormente, un animal a medio camino entre una salamandra y un lagarto. Sólo al cabo de unos años se determinó inequívocamente que estos misteriosos animales eran en realidad reptiles. Se les bautizó como ictiosaurios, nombre que significa “lagartos pez”, y que refleja su extraordinaria adaptación a la vida acuática. De manera similar a los cetáceos modernos, su anatomía cambió drásticamente a lo largo de su evolución, adquiriendo perfiles hidrodinámicos, desarrollando aletas caudales para propulsarse y transformando sus patas en aletas pectorales y pélvicas para estabilizar el cuerpo o maniobrar en el agua. Usualmente, los tejidos blandos de apéndices como las aletas caudales no se preservan en los fósiles, pues se descomponen mucho antes de que empiece la fosilización, pero afortunadamente, en raras ocasiones se descubren especímenes de conservación extraordinaria. Algunos de los fósiles más bellos y completos de ictiosaurios, provienen de Holzmaden, una localidad fosilífera del Jurásico alemán. En ellos, la silueta del cuerpo y las aletas se han preservado con exquisito detalle en forma de una fina capa carbonácea.

Los plesiosaurios son otro icónico grupo de reptiles marinos del Mesozoico al que pertenecen los robustos pliosaurios y los elasmosaurios de larguísimos cuellos. Son únicos entre los tetrápodos acuáticos porque nadaban usando los dos pares de aletas a modo de alas submarinas, en contraste con los voladores subacuáticos modernos, como las tortugas marinas, los pingüinos o los leones marinos, que sólo usan las delanteras. El reciente descubrimiento del plesiosaurio policotílido Mauriciosaurus fernandezi1, del Cretácico mexicano, deja constancia de que los cuerpos y extremidades de estos animales eran también muy hidrodinámicos.

El registro fósil contiene pues, una información muy valiosa para entender la biología y la ecología de los tetrápodos marinos, así como para comprender mejor los ecosistemas acuáticos y cómo éstos son influenciados por los fenómenos climáticos globales. Pero, ¿cómo aprovechar al máximo la limitada información que nos ofrecen los fósiles?

 

Paleontología virtual y biomecánica de animales extintos

 

Los fósiles suelen estar deformados y quebrados debido al peso de los sedimentos y los fenómenos geológicos que operan durante y después de la fosilización. Usando la tomografía computarizada (TC) y programas informáticos de reconstrucción digital, actualmente es posible visualizar los fósiles en tres dimensiones, corregir la distorsión, restaurar los elementos que faltan e incluso observar estructuras internas sin destruir el valioso material. Por ejemplo, un grupo de investigadores ingleses aplicó esta técnica al cráneo de Hauffiopteryx, un ictiosauro de enormes ojos, de unos 180 millones de años de antigüedad2. El molde interno digital de su endocráneo reveló un gran desarrollo en las áreas del cerebro relacionadas con la vista y el olfato, cualidades indicativas de que estos animales eran hábiles depredadores.

Estas y otras técnicas permiten a los paleontólogos modernos crear modelos digitales de animales extintos o de una parte de éstos, que luego sirven para testar hipótesis sobre su función. La biomecánica es la rama de la ciencia que nos ayuda a entender cómo funcionan los animales y en concreto estudia los fenómenos asociados al movimiento y el equilibrio. Aplicada a animales extintos, la biomecánica busca resolver preguntas como a qué velocidad se movían o cuánta fuerza ejercían al morder, asumiendo que, en épocas pasadas, los organismos estaban sometidos a las mismas leyes de la física que los actuales.

La biomecánica de animales acuáticos incorpora los principios de la dinámica de fluidos, la ciencia dedicada a estudiar el comportamiento de gases y líquidos como el aire o el agua, en movimiento. Esta rama de la física aborda cuestiones muy relevantes para organismos acuáticos como cuánta resistencia tiene que vencer un animal para moverse en el agua o cuánta fuerza es capaz de generar agitando la cola o las aletas, por ejemplo. Un grupo de investigadores construyó una versión robótica de las aletas un plesiosaurio que colocaron dentro de un tanque de agua con el objetivo de entender cómo éstos las usaban para nadar3. ¿Las movían a la vez o alternadamente? Programando diferentes combinaciones de sincronía y fase y visualizando el patrón de flujo mediante tintes de diferentes colores (lo cual permite medir las fuerzas y otros parámetros), determinaron que las aletas traseras pueden incrementar su capacidad propulsora gracias a las aletas delanteras y mejorar su eficiencia, reduciendo la pérdida de energía durante el nado. Este estudio también sugiere que los plesiosauros podrían modular la fase entre las dos aletas para optimizar la eficiencia dependiendo sus necesidades.

El uso de robots en tanques de agua o túneles puede ser muy costoso. De nuevo, la paleontología virtual ofrece todo un abanico de nuevas alternativas. La dinámica de fluidos computacional (CFD, del inglés Computational Fluid Dynamics) es una herramienta de ingeniería que simula en un ordenador la interacción entre fluidos y sólidos y que se usa para optimizar el diseño de aviones, submarinos o automóviles. No es la primera técnica que se toma prestada de la ingeniería, pues el análisis de elemento finito (FEA, del inglés Finite Element Analysis) ya se aplica con éxito a problemas biológicos desde hace un par de décadas. La simulación de fluidos se ha aplicado a modelos digitales de plesiosauros programados con diferentes combinaciones de movimientos, para entender de qué manera estos animales usaban sus apéndices propulsores4. Otros científicos están utilizando la CFD para estudiar el efecto de los enormes cuellos de estos animales en las fuerzas hidrodinámicas5. Mi personal contribución a esta área del conocimiento consiste en la aplicación de esta técnica en reconstrucciones digitales de ictiosaurios y otros reptiles marinos para estudiar de qué manera la evolución de su morfología afectó sus propiedades hidrodinámicas (Fig. 1), y cómo esto impactó en su gasto energético6.

El avance de los métodos de visualización y reconstrucción digital ha potenciado enormemente los estudios biomecánicos de animales fósiles en las últimas décadas7. Gracias a ellos y a nuevos y excepcionales descubrimientos de fósiles, este es un gran momento para estudiar la biología de los extraordinarios dragones marinos que habitaron los mares del Mesozoico.

 

Referencias

  1. Frey E, Mulder EW, Stinnesbeck W, Rivera-Sylva HE, Padilla-Gutiérrez JM, González-González AH. 2017 A new polycotylid plesiosaur with extensive soft tissue preservation from the early Late Cretaceous of northeast Mexico. Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana 69, 87–134.
  2. Marek RD, Moon BC, Williams M, Benton MJ. 2015 The skull and endocranium of a Lower Jurassic ichthyosaur based on digital reconstructions. Palaeontology 58, 723–742. (doi:10.1111/pala.12174)
  3. Muscutt LE, Dyke G, Weymouth GD, Naish D, Palmer C, Ganapathisubramani B. 2017 The four-flipper swimming method of plesiosaurs enabled efficient and effective locomotion. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 284, 20170951. (doi:10.1098/rspb.2017.0951)
  4. Liu S, Smith AS, Gu Y, Tan J, Liu CK, Turk G. 2015 Computer simulations imply forelimb-dominated underwater flight in plesiosaurs. PLoS Comput Biol 11, e1004605.
  5. Sticking your neck out: How did plesiosaurs swim with such long necks? ScienceDaily. See https://www.sciencedaily.com/releases/2017/07/170705132908.htm.
  6. Gutarra S. Using computational fluid dynamics to analyse the hydrodynamic properties of fossil marine reptiles. SVPCA 2017, Abstracts. See http://svpca.org/abstracts.php?yr=2017&abstID=00000002321.
  7. Lautenschlager S. 2016 Reconstructing the past: methods and techniques for the digital restoration of fossils. Royal Society Open Science 3, 160342. (doi:10.1098/rsos.160342)
  8. Milner AC, Barrett PM. 2016 Smith Woodward’s contributions on fossil tetrapods. Geological Society, London, Special Publications 430, 289–309. (doi:10.1144/SP430.13)

 

susana.gutarradiaz@bristol.ac.uk