Wie Animation und Computersimulation helfen, mehr über ausgestorbene Tiere zu erfahren / Sudo Null IT News

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Wenn heute das Wort „Dinosaurier“ verwendet wird, werden sich nur wenige Menschen an die klassischen Werke von Paläillustratoren des frühen 20. Jahrhunderts erinnern. Höchstwahrscheinlich werden spektakuläre Szenen aus Filmen in den Sinn kommen. Jemand wird sich an die Jeep-Verfolgungsjagd aus dem ersten Jurassic Park erinnern, jemand wird sich an den Kampf zwischen den Tirex und dem Giganotosaurus aus der letzten Welt erinnern, und jemand wird sich an den flauschigen Tyrannosaurus Rex aus dem prähistorischen Planeten erinnern.

Nicht alle diese Szenen sind gleichermaßen realistisch (zum Beispiel glaubt heute niemand, dass ein Tyrannosaurus mit einem Jeep mithalten könnte), aber sie alle sind das Ergebnis der sorgfältigen Arbeit von Künstlern, Animatoren und Regisseuren.

Animation und Computergrafik werden jedoch nicht nur zur Erstellung von Spielfilmen benötigt. Sie sind auch in der Wissenschaft nützlich, um echte Entdeckungen zu machen. Heute werden wir nur darüber sprechen, wie Wissenschaftler ausgestorbene Tiere mithilfe von 3D-Grafiken und -Animationen untersuchen.

Simulation des Coelophysis-Gehens

Beginnen wir mit Dinosauriern. 2021 ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Peter Bishop Computersimulation durchgeführt Muskeln des Gürtels der Hinterbeine und des Schwanzes der Coelophysis (Coelophysis bauri). Und nicht nur ausgegeben, sondern seinen Gang rekonstruiert. Coelophysis ist ein uralter Theropode, der am Ende der Trias vor mehr als 200 Millionen Jahren in Nordamerika und Südafrika lebte. Die Modellierung wurde sehr gründlich durchgeführt, mit der Rekonstruktion aller Hauptmuskeln und der Erstellung eines physischen Modells der Bewegung eines zweibeinigen Tieres.

Das Modell wurde zusätzlich an modernen flugunfähigen Vögeln am Beispiel des Tinamou getestet. Tinamou ist ein Verwandter von Straußen, die in Süd- und Mittelamerika leben. Die Wissenschaftler bauten 36 Muskeln des Hintergliedmaßengürtels des Vogels in ihr Modell ein und verglichen, wie das Modell läuft und wie ein lebender Vogel läuft. Die Ergebnisse waren nahezu identisch.

In der Abbildung zeigt die grüne Farbe das Ergebnis des Modells und die violette Farbe zeigt die Ergebnisse der Beobachtungen von echten Vögeln:


Tinamu Laufsimulation

Das heißt, das Modell, das verwendet werden sollte, um die Bewegungen von Dinosauriern weiter zu beschreiben, sagt die Bewegungen moderner Vögel gut voraus:

Anschließend korrigierten die Wissenschaftler ihre Daten und übertrugen sie an Coelophysis. Das Ergebnis war ein Dinosauriergang in einem ruhigen und laufenden Zustand. Interessanterweise brauchte der Dinosaurier für effizientes und sparsames Gehen mehr als nur Beine. Eine erhebliche Unterstützung wurde durch die Bewegung des Schwanzes von einer Seite zur anderen geleistet. Auf der einen Seite ist es ganz logisch – beim Bewegen soll das Heck schwingen. Aber dann berechneten die Wissenschaftler die gleichen Bewegungen, ohne die Bewegungen des Schwanzes zu berücksichtigen. Das heißt, sie untersuchten, wie sich der Dinosaurier bewegen würde, wenn der Schwanz nur ein festes Gegengewicht wäre. Es stellte sich heraus, dass durch aktive Bewegungen des Schwanzes gegenphasig zur Bewegung der Beine fast 20 % Energie beim Gehen eingespart werden können! Die 3D-Modellierung hat also gezeigt, dass der Schwanz von Dinosauriern eine großartige Möglichkeit ist, beim Gehen Energie zu sparen.

Und hier ist das Video selbst mit einer Aufzeichnung der Bewegungen der Coelophysis:

Was ist mit dem T-Rex?

Natürlich ist keine Dinosaurierforschung komplett ohne den berühmtesten von allen, den Tyrannosaurus rex. 2021 niederländische Wissenschaftler

beschlossen, es herauszufinden

die Geschwindigkeit, mit der sich der Tyrannosaurus am häufigsten bewegte. Dazu erstellten sie ein 3D-Computermodell, das auf dem Skelett eines Tyrannosaurus rex aus dem Nationalen Archäologischen Museum in Leiden basiert.

Die Grundlage der Studie haben Paläontologen mit dem Phänomen der Resonanz gelegt. Jedes Tier oder jeder Mensch hat seine eigene optimale Bewegungsgeschwindigkeit. Tatsache ist, dass sich der Schwerpunkt während der Bewegung in einem Rhythmus bewegt, der durch die Besonderheiten der Gewichtsverteilung auf Körperteile bestimmt wird. Selbst für zwei Personen mit unterschiedlichem Körperbau wird dieser Rhythmus unterschiedlich sein.

Sowohl Tiere als auch Menschen passen ihre Gehgeschwindigkeit unwillkürlich diesem Rhythmus an, um möglichst wenig Energie zu verbrauchen. Diese Synchronisation wird Resonanz genannt, und deshalb ist es viel schwieriger, langsamer zu gehen und sich an eine andere Person anzupassen, als sich mit der üblichen Geschwindigkeit zu bewegen.

Basierend auf dieser Theorie erstellten Wissenschaftler ein dreidimensionales Modell eines Tyrannosaurus rex auf der Grundlage eines Skeletts aus dem Nationalen Archäologischen Museum. Sie modellierten Muskeln und innere Organe und schlugen vor, dass sich der lange, muskulöse Schwanz des Dinosauriers beim Gehen auf und ab bewegte.

Die T-Rex-Laufanimation zeigt unter Berücksichtigung der Schwanzresonanz einen realistischeren und langsameren Gang als bisher angenommen.
Video: Rick Stikkelorum, Arthur Ulmann & Pasha van Bijler/Naturalis Biodiversity Centre:

Der Schwanz besteht aus Wirbeln, die durch Bänder verbunden sind, er ist flexibel und sein Schwingen beim Gehen ähnelt dem Schwingen einer Hängebrücke. Somit hat auch der Schwanz einen eigenen Rhythmus, der die Gesamtresonanz der Bewegungen des Tyrannosaurus Rex und damit die Geschwindigkeit beeinflusst.

Die anhand der biometrischen Analyse berechnete Geschwindigkeit fiel am Ende deutlich geringer aus als in früheren Studien, die nur die Bewegungen der Beine berücksichtigten und den Schwanz nicht berücksichtigten.

Währenddessen war der Schwanz zweibeiniger Dinosaurier aktiv am Gehen beteiligt, und Wissenschaftler berechneten die Eigenfrequenz des Schwanzes des Tyrannosaurus Rex und die entsprechende Gehgeschwindigkeit:


Rekonstruktion des Bewegungsapparates und biomechanisches Modell zur Bestimmung des Bewegungsrhythmus des Schwanzes eines Tyrannosaurus rex. In der Abbildung: a) Vollständiges Skelett eines Erwachsenen, einschließlich muskulärer Rekonstruktion des Schwanzes (rot) und der restlichen Muskulatur und des Weichgewebes (blau). b) Rekonstruktion der interspinalen Bänder der Wirbelsäule. c) Teilung des Schwanzes in Segmente. d) Biomechanisches Modell. Bild: Pasha A. van Bijlert et al./Royal Society Open Science, 2021

Laut niederländischen Forschern bewegte sich der Tyrannosaurus rex mit einer Geschwindigkeit von etwa 4,6 km/h. Dies sind weniger als 5 km / h – die Geschwindigkeit, mit der eine Person normalerweise geht. Allerdings geht es hier nicht um die maximale Geschwindigkeit, sondern um die sogenannte bevorzugte Gehgeschwindigkeit – die bevorzugte Gehgeschwindigkeit. Heute gibt es auf der Welt keine tonnenschweren zweibeinigen Tiere, bei denen ein massiver Schwanz an der Bewegung beteiligt ist. Daher ist es schwierig, direkte Analoga des Tyrannosaurus Rex zu finden. Aber zum Beispiel bei Straußen und Elefanten beträgt die bevorzugte Gehgeschwindigkeit etwa 3,6 km / h und bei Pferden 4,5 km / h. Die durchschnittliche menschliche Geschwindigkeit wird normalerweise mit 5 km/h angenommen.

So könnte eine Person einen Tyrannosaurus Rex leicht in einem ruhigen Zustand zurücklassen. Die Hauptsache ist, dass der Tirex Sie nicht bemerkt und sich nicht entscheidet, den Schritt zu beschleunigen.

Wie haben Dinosaurier temperiert?

Herauszufinden, wie sich dieser oder jener Dinosaurier bewegt hat, ist gut, aber nicht genug. Es ist nur eine Tatsache. Und bei der Paläontologie geht es wie bei jeder anderen Wissenschaft nicht so sehr um Fakten, sondern um die Schlussfolgerungen, die aus diesen Fakten gezogen werden können. Über Muster, Trends, Ursachen und Wirkungen.

Dem ist gewidmet Artikelerschienen im Mai 2022. Es besteht aus einem internationalen Team von Wissenschaftlern, die die Mobilität verschiedener Gruppen von Archosauriern analysiert haben: Krokodilomorphe, Flugsaurier und natürlich Dinosaurier.

Ein bisschen Kontext. Das Mesozoikum wird oft als das Zeitalter der Dinosaurier bezeichnet. Tatsächlich tauchten Dinosaurier jedoch erst in der zweiten Hälfte der Trias auf und spielten zunächst eine unbedeutende Rolle in Ökosystemen. Viel zahlreicher waren damals die Krokodiltiere, für die die Trias-Zeit die Zeit des wahren Wohlstands war. Krokodile von damals waren überhaupt nicht wie heute. Es gab schnelle Landkrokodile, Salzwasserkrokodile, zweibeinige Krokodile, sogar Pflanzenfresser! Aber am Ende der Trias (vor etwa 201 Millionen Jahren) kam es zu einem Massensterben, wodurch die meisten Krokodilmorphen ausstarben, nur die uns bekannten semi-aquatischen Formen blieben übrig. Dinosaurier hingegen überlebten, besetzten die frei gewordenen ökologischen Nischen und begannen ab der Jurazeit, an Land zu dominieren.

Warum starben Krokodilmorphe aus, aber Dinosaurier nicht? Die allgemein akzeptierte Antwort lautet, dass Dinosaurier sich effizienter fortbewegten.

Krokodile haben seitlich gespreizte Beine, während Dinosaurier sich unter dem Körper befinden, wodurch sie Energie sparen können.


Links – die beabstandeten Beine von Krokodilen, in der Mitte – die vertikale Einstellung der Gliedmaßen von Dinosauriern und Säugetieren, rechts – ein Zwischenzustand bei Rauisuchia, Verwandten von Krokodilen

Es klingt ganz logisch: Dinosaurier auf ihren geraden Beinen liefen schneller, ermüdeten langsamer, holten Beute leichter ein und liefen im Gegenteil vor Raubtieren davon. Und wenn Sie eine fortgeschrittenere “Vogel” -Atmung und einen schnellen Stoffwechsel hinzufügen, stellt sich heraus, dass die Krokodilmorphen keine Chance hatten?

▍ Nicht wirklich…

Die fast geraden Beine der Rauisuchianer erwiesen sich als etwas weniger effektiv als die geraden Beine der Dinosaurier. Ja, und “klassische” Krokodile wechseln notfalls in den sogenannten Hochgang, reißen den Bauch vom Boden ab und laufen ganz munter.

Um vom Philosophieren und abstrakten Denken wegzukommen, beschlossen die Wissenschaftler daher, die Effizienz des Gehens verschiedener Gruppen von Archosauriern zu berechnen, einschließlich der oben genannten Studien:

Die Ergebnisse waren gemischt. Dinosaurier zeigten im Vergleich zu anderen Archosauriern keinen dramatischen Vorteil in der Bewegungsgeschwindigkeit. Also spielten höchstwahrscheinlich alle Faktoren eine Rolle: Stoffwechsel, Atmung und Beine.

Obwohl Stephen Brusatti in seinem Buch „Time of the Dinosaurs“ schreibt, dass die Dinosaurier nur Glück hatten.

Nicht nur Dinosaurier

Natürlich lassen sich Computermodelle nicht nur auf Dinosaurier anwenden. 2022 wird die internationale Gruppe Wissenschaftler aus Großbritannien, Südafrika, den USA und Australien untersuchten den berühmtesten fossilen Hai – Megalodon (Otodus Megalodon).

Das Problem mit fossilen Haien ist, dass ihre Skelette hauptsächlich aus Knorpel bestehen und im Fossilienbestand sehr schlecht erhalten sind. Tatsächlich sind von den alten Haien nur noch die Zähne übrig. Trotzdem wurde in Belgien ein Exemplar unter der Katalognummer IRSNB P 9893 beschrieben – dies ist eine Kette von 141 Megalodon-Wirbelkörpern. Diese Wirbel nahmen die Autoren als Grundlage ihres Modells.

Tatsächlich nahmen sie die Körperproportionen des modernen Weißen Hais (

Carcharodon carcharias

) und so skaliert, dass sein knorpeliger Schädel und seine Wirbelsäule (Chondrocranium) der Größe von Wirbeln aus Belgien und zuvor beschriebenen Zähnen aus den Vereinigten Staaten entsprachen.

Der Weiße Hai gehört zur Familie Hering Haiein der es heute fünf Arten gibt.

Für mehr Genauigkeit haben die Autoren ihr Modell in Blender 2.80 fertiggestellt, sodass es etwas zwischen allen Typen wird:


NQ: das endgültige Modell des Megalodons in verschiedenen Formen

Dann wurde das Modell in Meshlab importiert und sein Volumen berechnet. Es ergaben sich 58,1 m3, was etwa 60 Tonnen entspricht. Wenn Sie die Masse kennen, können Sie die ungefähre Geschwindigkeit des Hais berechnen. Es stellte sich heraus, dass der Megalodon nicht nur riesig, sondern auch ziemlich schnell war: Er schwamm mit einer Geschwindigkeit von 5 km / h schneller als alle modernen Verwandten.

Und das riesige Maul ermöglichte ein paar Bisse, um mit fast jeder damals verfügbaren Beute fertig zu werden, einschließlich Delfinen und kleinen Walen. Parallel zum Megalodon lebte also der Zahnwal Zygophyseter (Zygophyseter varolei), der dieselbe ökologische Nische wie moderne Killerwale besetzte – das heißt, er war das höchste Raubtier. Oder besser gesagt, das höchste für alle außer dem Megalodon.


Der miozäne Wal Zygophyseter ist ein Thunfischgewitter. Aber für den Megalodon ist er nur Beute

Basierend auf dieser Beschreibung bezeichnen die Autoren den Megalodon als „interozeanisches Superprädator“, dessen Jagdrevier die gesamten Ozeane waren. Und das 3D-Modell half, das herauszufinden.

Fazit

3D-Modellierung und -Animation dringen zunehmend in Wissenschaft und Leben ein. Google Scholar-Aggregator für wissenschaftliche Artikel für die Suchanfrage “digital modeling dinosaurs” Ausgaben mehr als 300 Artikel allein für 2022.

Dank der Technologie kann man heute herausfinden, mit welcher Kraft der Tyrannosaurus auf dem Knochen kaute, wie schnell der Spinosaurus schwamm und welchen Druck die Füße des Diplodocus auf den Boden ausübten. Und je weiter, desto mehr Entdeckungen warten auf uns.

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