The evolution of skull shape and function in Sauropodomorpha: Insights from finite elements structure synthesis and landmark analysis
Final Report Abstract
Die biomechanischen Schädel-Analysen basieren auf einer neuen Berechnungsmethode, der 3D Finite Elemente Struktur Synthese (FESS), bei der anatomische Formen aufgrund der auf sie wirkenden Kräfte aus einem Hüllvolumen virtuell synthetisiert werden können. Diese Methode wurde auf mehrere Referenz-Taxa angewandt, um die morphofunktionelle Struktur der Sauropodomorphen-Schädel besser verstehen zu können. Zunächst wurden die Schädel von Diplodocus und Camarasaurus als Vorarbeit synthetisiert und zur Validierung mit den Originalfunden hinsichtlich sämtlicher Merkmale verglichen. Die Übereinstimmung war bemerkenswert. Damit war die Methode wie im Falle der Synthese eines Neanderthaler-Schädels mit Erfolg erprobt. In der Folgezeit wurden ausgiebige Fundanalysen in Stuttgart und Berlin für Plateosaurus und in San Juan, Argentinien, für Herrerasaurus durchgeführt, um Hüllvolumen, Zahnbögen, Augenpositionen und mögliche MuskelinsertionsstelIen zu bestimmen und zu lokalisieren. Dann wurden mit Hilfe dieser Messungen die virtuellen Synthesen der Schädel von Plateosaurus und Herrerasaurus vorgenommen. Im Zusammenhang mit den Fundanalysen von Plateosaurus konnten neue Erkenntnisse hinsichtlich der absoluten Beiß- und Muskelkräfte, der einzelnen Lastfälle (Ort der jeweiligen Krafteinwirkungen), der funktionellen Belastung des Os nasale und dessen anatomischer Ausformung gewonnen worden. Zusätzlich entstand eine neue Theorie über einen möglichen Atemwegverlauf bei Prosauropoden. Mit Hilfe einer sehr genauen Fundanalyse von Herrerasaurus in San Juan, Argentinien, wurde schließlich eine neue biomechanische Erkenntnis zur Funktion von Quadratomandibular-Gelenken gefunden, die den Ultra-Leichtbau der Mandibel erklärbar macht. Sämtliche Formen und Strukturen der Schädel von Plateosaurus und Herrerasaurus sind nach den gelungenen virtuellen Synthesen mechanisch begründbar und letztlich auf Beißkräfte und die damit verbundenen Muskelkräfte zurückführbar, wenn a priori konform zu den Funden fünf Vorgaben bei den Berechnungen einfließen. Eine bemerkenswerte Prüfung der Ergebnisse der vier synthetisierten Schädel bestand darin, dass sie bestmöglich mit den Funden übereinstimmten und dass die berechneten Muskelquerschnitte und -volumen im Innem der erzeugten Schädel ausreichend Raum fanden. Damit ist erstmals eine quantitative virtuelle Synthese nicht nur der knöchemen Strukturen, sondem auch der Schädelmuskulatur gelungen.
Publications
- 2005. Finite-Element Model Construction for the Virtual Synthesis of the Skulls in Vertebrates: Case Study of Diplodocus. The Anatomical Record Part A 283A:391-401
Witzel U and Preuschoft H
- 2007. Eine neue Methode zur virtuellen Schädelsynthese am Beispiel Camarasaurus. In: J. Erfurt und L. Maul (Hrsg) Beiheft 23 zum "Halleschen Jahrbuch für Geowissenschaften" Halle/Saale: 73-77
Witzel U
- 2010. Principles of determination and verification of muscle forces in the human musculoskeletal system: Muscle forces to minimise bending stress. Journal of Biomechanics 43: 387-396
Sverdlova N S and Witzel U
