运动中的科学：预测恐龙的步伐

研究人员已经开发出一种新的方法来可视化古代动物在地球上漫游时是如何移动的——从耶鲁大学发现的恐龙的镰刀爪脚开始。

这种新方法使用计算机动画软件将化石骨骼的3D模型与从现代动物物种移动关节的X射线视频中收集的信息相结合，可能会改变我们对史前生物如何追逐猎物，在沿海水道中游泳，在天空中翱翔，爬过困难地形和吃早餐的理解。

一项描述新方法的研究发表在《自然通讯》杂志上。

“这是一种提取长期被锁定在化石记录中的数据的新方法。从某种意义上说，我们正在从博物馆的抽屉里重新激活骨头，“该研究的主要作者Armita Manafzadeh说。她是耶鲁大学生物圈研究所、地球与行星科学系和耶鲁大学皮博迪博物馆的博士后研究员。

一个多世纪以来，古生物学家一直依靠骨骼化石和研究人员的直觉来预测灭绝动物的移动方式。这些关于运动的“直觉”成为关于古代动物在世界上的行为和互动的更广泛理论的基础。

然而，新技术有助于提供更清晰的信息。

在这项研究中，研究人员拍摄了一只在跑步机上行走的现代鸟类的X射线视频，并使用这些视频精确测量了鸟类的脚踝和脚趾关节姿势。同时，他们使用3D模型，在尖端的计算机动画软件中模拟了相同关节的运动 – 测试数百万个潜在的姿势，并为每个姿势分配一个从0到100的分数，以描述鸟的骨骼表面在几何上如何配合在一起。

当研究人员将得分最高的姿势与鸟类行走的现实进行比较时，他们发现了一个非常准确的匹配。

“它给了我们信心，我们可以利用21^{世纪的技术} 来测试几个世纪以来的古生物学直觉，即在关节上“看起来正确”。我们现在可以使用真实数据来支持或推翻长期存在的预感，“Manafzadeh说。

Manafzadeh的方法解释了骨骼表面的复杂三维形状，这些形状在关节内相互滑动，耶鲁大学艺术与科学学院地球与行星科学副教授，耶鲁大学皮博迪博物馆副馆长，该研究的合著者Bhart-Anjan Bhullar说。

“运动受到这些形状的指导和约束，但对它们的几何形状的相互作用进行建模是困难的，“布拉尔说。“尽管如此，Armita还是完成了这个建模，并且至关重要的是，通过证明它正确地预测了鸟类的行走姿势，验证了该方法。

最后，研究人员将他们的方法用于Deinonychus antirrhopus的步伐和脚步打击， Deinonychus antirrhopus是一种 “猛禽”恐龙，由耶鲁大学古生物学家约翰·奥斯特罗姆（John Ostrom）在1960年代发现，并被奥斯特罗姆证明与现代鸟类密切相关。 Deinonychus 在 1990 年代成为流行文化明星，当时它出现在热门电影“侏罗纪公园”中。

耶鲁皮博迪博物馆（Yale Peabody Museum）收藏了被认为是世界上最好的 Deinonychus 材料。它有1.1亿年历史的骨骼几乎保存完好，这使得Manafzadeh和她的同事们能够分析其脚部脆弱的关节表面。

“Deinonychus 是一种非常重要的动物，”Manafzadeh说。“它有助于巩固我们对恐龙与鸟类联系的理解，它的第二脚趾上有一个令人难以置信的、可怕的爪子，长期以来一直让古生物学家和公众着迷。

她说，多亏了新的可视化方法，科学家们可以更有信心地重建 Deinonychus 是如何走路的，它如何将爪状脚趾从地面上移开，以及它如何用所谓的“杀戮踢”来攻击猎物。

Manafzadeh构思了新的关节姿势评分系统的想法。她与布朗大学的合著者斯蒂芬·盖特西（Stephen Gatesy）一起设计了它，并与盖特西和布拉尔一起分析了由此产生的数据。

Manafzadeh说，她希望根据它们骨骼的形状和它们现在的亲戚的X射线视频的比较数据，在视觉上重建尽可能多的灭绝动物的运动。

“这就是这里的终局，“她说。“关节几乎可以实现动物的所有动作，从飞行中的动物的肩膀到正在进食的动物的下巴。我们的工作建立了一个框架，可以更充分地利用化石骨骼中保存的3D形状数据，使我们能够更好地重建已灭绝动物的关节是如何移动的，并最终重建这种运动是如何在深时间内演变的。