Os plesiossauros, que viveram cerca de 210 milhões de anos atrás, se adaptaram à vida subaquática de uma maneira única:suas patas dianteiras e traseiras evoluíram no curso da evolução para formar quatro nadadeiras uniformes em forma de asas. Em sua tese supervisionada na Ruhr-Universität Bochum e na Universidade de Bonn, a Dra. Anna Krahl investigou como eles os usavam para se mover pela água. Em parte, usando o método dos elementos finitos, amplamente utilizado na engenharia, ela conseguiu mostrar que era necessário torcer as nadadeiras para seguir em frente. Ela foi capaz de reconstruir a sequência do movimento usando ossos, modelos e reconstruções dos músculos. Ela relata suas descobertas no PeerJ revista em 3 de junho de 2022.
Os plesiossauros pertencem a um grupo de sáurios chamados Sauropterygia, ou lagartos de remo, que se readaptaram a viver nos oceanos. Eles evoluíram no final do Triássico 210 milhões de anos atrás, viveram na mesma época que os dinossauros e se extinguiram no final do período Cretáceo. Os plesiossauros são caracterizados por um pescoço muitas vezes extremamente alongado com uma cabeça pequena – os elasmossauros ainda têm o pescoço mais longo de todos os vertebrados. Mas também havia grandes formas predatórias com um pescoço bastante curto e crânios enormes. Em todos os plesiossauros, o pescoço está ligado a um corpo hidrodinamicamente bem adaptado em forma de lágrima com uma cauda marcadamente encurtada.

Pesquisadores intrigam há 120 anos como os plesiossauros nadavam

A segunda característica que torna os plesiossauros tão incomuns são suas quatro nadadeiras uniformes em forma de asas. "Ter as patas dianteiras transformadas em nadadeiras semelhantes a asas é relativamente comum na evolução, por exemplo, em tartarugas marinhas. Nunca mais, no entanto, as patas traseiras evoluíram para uma asa semelhante a um aerofólio de aparência quase idêntica", explica Anna Krahl, cujo A tese de doutorado foi orientada pelo professor P. Martin Sander (Bonn) e pelo professor Ulrich Witzel (Bochum). Tartarugas marinhas e pinguins, por exemplo, têm pés palmados. Por mais de 120 anos, pesquisadores da paleontologia de vertebrados ficaram intrigados sobre como os plesiossauros poderiam nadar com essas quatro asas. Eles remavam como tartarugas de água doce ou patos? Eles voaram debaixo d'água como tartarugas marinhas e pinguins? Ou eles combinaram o vôo subaquático e o remo como os leões-marinhos modernos ou a tartaruga nariz de porco? Também não está claro se as nadadeiras dianteiras e traseiras foram acionadas em uníssono, em oposição ou fora de fase.

Anna Krahl estuda a estrutura corporal dos plesiossauros há vários anos. Ela examinou os ossos da cintura escapular e pélvica, as nadadeiras dianteiras e traseiras, e as superfícies articulares do ombro do plesiossauro Cryptoclidus eurymerus do período Jurássico Médio (cerca de 160 milhões de anos atrás) em um esqueleto completo exibido no Museu Goldfuß da Universidade de Bona. Os plesiossauros endureceram as articulações do cotovelo, joelho, mão e tornozelo, mas funcionaram nas articulações do ombro, quadril e dedos.

"A análise comparando-os com as tartarugas marinhas modernas e com base no que se sabe sobre seu processo de natação indicou que os plesiossauros provavelmente não eram capazes de girar suas nadadeiras tanto quanto seria necessário para remar", conclui Krahl, resumindo um de seus papéis preliminares. O remo é principalmente um movimento de vai-e-vem que usa a resistência da água para avançar. A direção preferida do movimento das nadadeiras nos plesiossauros, por outro lado, era para cima e para baixo, usada por voadores subaquáticos para gerar propulsão.

Os músculos dos estudos anteriores foram esticados neste modelo para entender melhor sua geometria. O modelo também permitiu que as posições das nadadeiras fossem alteradas para medir quantos músculos são alongados ou encurtados.

Permanecia a questão de como os plesiossauros poderiam torcer suas nadadeiras para colocá-los em uma posição hidrodinamicamente favorável e produzir sustentação sem girar o braço e a coxa em torno do eixo longitudinal. "Isso pode funcionar girando as nadadeiras em torno de seu eixo longo", diz Anna Krahl. “Outros vertebrados, como a tartaruga-de-couro, também demonstraram usar esse movimento para gerar propulsão através da sustentação”. A torção, por exemplo, envolve dobrar o primeiro dedo bem para baixo e o último dedo bem para cima. Os dedos restantes unem essas posições extremas para que a ponta da nadadeira fique quase na vertical sem exigir nenhuma rotação real no ombro ou no pulso.

Uma reconstrução dos músculos das nadadeiras anteriores e posteriores de Cryptoclidus usando répteis vivos hoje mostrou que os plesiossauros podem ativar ativamente essa torção das nadadeiras. Além dos modelos clássicos, os pesquisadores também fizeram tomografias computadorizadas do úmero e do fêmur de Cryptoclidus e os usaram para criar modelos virtuais 3D. "Esses modelos digitais foram a base para calcular as forças usando um método que tomamos emprestado da engenharia:o método dos elementos finitos, ou FE", explica Anna Krahl. Todos os músculos e seus ângulos de fixação no úmero e fêmur foram reproduzidos virtualmente em um programa de computador FE que pode simular cargas funcionais fisiológicas, por exemplo, em componentes de construção, mas também em próteses. Com base em suposições de força muscular de um estudo semelhante em tartarugas marinhas, a equipe conseguiu calcular e visualizar a carga em cada osso.

A torção das nadadeiras pode ser comprovada indiretamente

Durante um ciclo de movimento, os ossos dos membros são carregados por compressão, tensão, flexão e torção. "As análises FE mostraram que o úmero e o fêmur nas nadadeiras são funcionalmente carregados principalmente por compressão e, em muito menor grau, por tensão de tração", explica Anna Krahl. "Isso significa que o plesiossauro construiu seus ossos usando o mínimo de material necessário." Este estado natural só pode ser mantido se os músculos que torcem as nadadeiras e os músculos que envolvem o osso estão incluídos. "Podemos, portanto, provar indiretamente que os plesiossauros torceram suas nadadeiras para nadar com eficiência", resume Anna Krahl.

A equipe também foi capaz de calcular as forças para os músculos individuais que geraram o movimento ascendente e descendente. Por exemplo, verificou-se que o movimento descendente de ambos os pares de nadadeiras era mais poderoso do que o movimento ascendente. Isso é comparável às nossas tartarugas marinhas de hoje e diferente dos pinguins de hoje, que avançam a mesma distância tanto para cima quanto para baixo. “Os plesiossauros se adaptaram à vida na água de uma maneira muito diferente das baleias, por exemplo”, observa Anna Krahl, que agora trabalha na Universidade Eberhard Karls em Tübingen, Alemanha. “Esse caminho único da evolução exemplifica a importância da pesquisa paleontológica porque é a única maneira de apreciarmos toda a gama do que a evolução pode trazer”.