Working out how extinct animals moved is difficult. We need to include as much evidence as we have available both from the fossils themselves and also from our knowledge of physics and the anatomy and physiology of living animals. This sort of combination can be done using a supercomputer to assess the most likely forms of movement given all the information available. Trying this with a fossil duck-billed dinosaur (Edmontosaurus annectens) demonstrated that a wide range of forms of locomotion were possible: bipedal running and hopping as well as galloping quadrupedally. Of these bipedal hopping was actually the fastest although this seems a rather unlikely way for these animals to have moved. More likely is that there is something important missing from our models. We think this may be that we are not measuring how strong the skeleton needs to be and this is something we need to check in future.

Resumen en Español

Paleontología Virtual: reconstrucción de la marcha de los vertebrados extintos utilizando informática de alto rendimiento.

La reconstrucción de la marcha de los animales extintos requiere de la integración de la información paleontológica obtenida a partir de los fósiles con el conocimiento biológico de la anatomía, fisiología y biomecánica de los animales actuales. La simulación por ordenador proporciona una metodología para combinar esa información multimodal con objeto de producir predicciones concretas que puedan ser evaluadas y utilizadas para estimar la probabilidad de distintas hipótesis locomotoras en competencia. Sin embargo, con la disponibilidad de superordenadores mucho más rápidos, estas simulaciones también pueden explorar un amplio abanico de posibilidades, permitiendo la generación de hipótesis de novo sobre la marcha. En este trabajo documentamos el uso de un ordenador 8000 procesadores para producir patrones de marcha y de rastros que resulten plausibles, tanto mecánica como fisiológicamente, para un dinosaurio subadulto (Edmontosaurus annectens), evaluando un amplio rango de posibilidades locomotoras en términos de velocidad de carrera. La reconstrucción anatómica presentada es capaz de correr y saltar en marcha bípeda; trotar, ir al paso o sobre un píe en marcha cuadrúpeda simétrica, y galopar en modo asimétrico. Sorprendentemente la marcha más rápida se consigue mediante saltos (17 ms^-1), seguida por el galope cuadrúpedo (16 ms^-1) y la carrera bípeda (14 ms^-1). La marcha a saltos se considera improbable para este animal, lo cual podría implicar que nuestra reconstrucción anatómica y fisiológica es incorrecta o que existen limitaciones importantes, tales como la carga del esqueleto y el factor de seguridad, que no han sido incluidas en nuestra simulación. Las fuentes más probables de errores están en los rangos de movimiento de las articulaciones, junto con la longitud de las fibras musculares y los tendones, ya que estos valores son difíciles de reconstruir. Por tanto, el proceso de simulación de la marcha es capaz de limitar nuestras predicciones sobre características desconocidas de los animales extintos mediante una restricción funcional. Las geometrías de los rastros obtenidas de los modelos de marcha es, por el momento, muy básica debido a la simplicidad del modelo utilizado de contacto entre el substrato y el pie, pero demuestra el potencial de esta tecnología para interpretar y predecir la geometría de los rastros.

Palabras clave: Locomoción; Dinosauria; Hadrosauria; Robótica; Simulación, Algoritmos genéticos.

Traducción: Francisco Ortega

Résumé en Français

Paléontologie Virtuelle: reconstruction de la démarche des vertébrés disparus a l’aide de traitement informatique de haute performance

La reconstruction de la démarche d’animaux disparus demande l’intégration de données paléontologiques obtenues à partir des fossiles avec les connaissances biologiques d’anatomie, de physiologie et de biomécanique provenant des animaux actuel. Les simulations informatiques fournissent une méthodologie permettant de combiner ces informations multimodales afin de produire des prédictions concrètes qui peuvent être évaluées et utilisée pour estimer la probabilité de différentes hypothèses locomotrices concurrentes. Toutefois, avec la venue de superordinateurs beaucoup plus rapides, de telles simulations peuvent également explorer un plus grand éventail de possibilités, permettant le développement de nouvelles hypothèses de démarche. Dans cet article nous décrivons l’utilisation d’un ordinateur de 8000 processeurs pour produire des démarches et des pistes d’empruntes à la fois mécaniquement et physiologiquement plausibles pour un jeune dinosaure adulte (Edmontosaurus annectens), évaluant un large éventail de possibilités locomotrices en terme de vitesse de course. La reconstruction anatomique présentée est capable de courir et de sauter en mode bipède ; elle peut effectuer du trot, marcher et faire une allure sur un pied en mode quadrupède symétrique ; et une allure de galop en mode quadrupède asymétrique. Contre toute attente le saut est l’allure la plus rapide (17 ms^-1), suivie par le galop quadrupède (16 ms^-1) et la course bipède (14 ms^-1). La démarche de saut est considérée comme une démarche improbable pour un tel animal, cela impliquerait que, soit notre reconstruction anatomique et physiologique est incorrecte, soit d’importantes contraintes telles que la capacité de charge du squelette ou des facteurs de solidité n’ont pas été inclus dans la simulation.  Les erreurs les plus probables sont dans l’amplitude d’articulation des mouvements, combinée avec la longueur des fibres musculaires et des tendons considérant la difficulté à reconstruire ces valeurs. Le processus de simulation des allures est donc capable de restreindre nos prédictions de caractéristiques inconnues pour des animaux disparus en utilisant une catégorie fonctionnelle. La géométrie des pistes d’empruntes dérivée des modèle d’allures est pour le moment très simple en raison de la simplicité du modèle de contact sol/pied utilisé, mais démontre le potentiel à venir de cette technologie dans l’interprétation et la prédiction de géométrie des pistes d’empruntes.

Mots clés: Locomotion; Dinosaure; Hadrosaure; Robotique; Simulation, Algorithmes Génétique

Translator: Olivier Maridet

Deutsche Zusammenfassung

Virtuelle Paläontologie: Gangbildrekonstruktion unter Einsatz von High Performance Computing

Die Gangbildrekonstruktion ausgestorbener Tiere erfordert eine Kombination von paläontologischen Informationen, wie die von Fossilien zum einen und biologischen Kenntnissen der Anatomie, Physiologie und der Biomechanik der rezenten Tiere zum anderen. Computersimulation bietet eine Methodik mit der man multimediale Informationen kombinieren kann, um konkrete Vorhersagen zu machen. Diese können evaluiert werden und zur Abschätzung der Wahrscheinlichkeit von konkurrierenden Hypothesen genutzt werden. Mit dem Aufkommen von sehr schnellen Supercomputern allerdings können solche Simulationen eine große Bandbreite an Möglichkeiten erkunden und ermöglichen so eine de novo Generation von Gangbildhypothesen. In dieser Studie dokumentieren wir die Arbeit mit einem 8000 Kernrechner mit dem wir mechanisch und physiologisch plausible Gangbilder und Spurenmuster eines subadulten Dinosauriers (Edmontosaurus annectens) produzieren. Dabei werten wir, ausgehend von der Laufgeschwindigkeit, eine große Bandbreite an lokomotorischen Möglichkeiten aus. Die vorgestellte anatomische Rekonstruktion kann zweibeinig rennen, hüpfen, traben, Schritt gehen und symmetrische vierfüßige Gänge, sowie asymmetrische galoppierende Gänge. Überaschenderweise ist das Hüpfen der schnellste Gang (17 ms^-1), gefolgt von quadrupedem Galoppieren (16 ms^-1) und bipedem Rennen (14 ms^-1). Hüpfen ist jedoch unwahrscheinlich für das Tier und das würde darauf hinweisen, dass entweder unsere anatomische und physiologische Rekonstruktion falsch ist oder es gibt wichtige Zwänge wie Skelettbelastungen und Sicherheitsfaktoren die momentan noch nicht in unserer Simulation berücksichtigt sind. Die wahrscheinlichsten Fehler liegen wohl im Bereich der Gelenke zusammen mit der Länge von Muskelfasern und Sehnen, da diese Werte schwer zu rekonstruieren sind. Somit ist der Prozess der Gangbildsimulation in der Lage unsere Vorhersagen von unbekannten Eigenschaften ausgestorbener Tiere einzukreisen, indem man eine „funktionale Klammer“ benutzt. Spurengeometrien die von diesen Gangmodellen gewonnen werden sind zurzeit sehr einfach, weil das benutzte Grund/Fuß Modell so schlicht ist, doch sie demonstrieren das zukünftige Potential dieser Technologie mit der man Spurengeometrie interpretieren und voraussagen kann.

Schlüsselwörter: Fortbewegung; Dinosaurier; Hadrosaurier; Robotik; Simulation, Genetischer Algorithmus

Translator: Eva Gebauer

Translator: Ashraf M.T. Elewa

Polski Abstrakt

NOWA PLEJSTOCEŃSKA FAUNA Z JASKIŃ ANDÓW ŚRODKOWEGO PERU: WIEK RADIOWĘGLOWY I ZACHOWANIE SIĘ PLEJSTOCEŃSKIEGO DNA Z NISKICH SZEROKOŚCI GEOGRAFICZNYCH

Zostaliśmy zaprowadzeni przez mieszkańców Peru do odkrytych przez nich plejstoceńskich faun w jaskiniach środkowych Andów (Peru). W jaskiniach tych (Jatun Uchco, Departamento de Huánuco; Cueva Roselló, Departamento de Junín oraz Trigo Jirka, Departamento de Huánuco) zachowały się liczne kopalne ssaki drapieżne (Puma, kot szablozębny [Smilodon populator], duży nienazwany wymarły kotowaty, lis [Lycalopex sp.], skunks białonosy [Conepatus sp.]), jelenie (cf. Pudu oraz cf. Hippocamelus), wikunie, wymarły koń (†Onahippidium devillei), gryzoń należący do szynszylowatych (cf. Lagidium), nietoperze (Anoura, Desmodus i Platalina) oraz leniwce (†Megatherium, †Scelidodon i †Diabolotherium). Nietoperze były znajdywane jedynie w najniżej położonej jaskini (Jatun Uchco, 2150m), natomiast kopytne tylko w jaskini Cueva Roselló – jedynej jaskini zbadanej na płaskim terenie. W jaskini Trigo Jirka znaleźliśmy zachowane antyczne odchody dużych zwierząt oraz keratynową pochwę na pazur rodzaju †Diabolotherium.

Próbki kolagenu do datowania metodą radiowęglową oraz DNA do badań filogenetycznych zostały pobrane z kości z jaskini Cueva Roselló (3875m) oraz Trigo Jirka (2700m). Typowe datowania radiometryczne uzyskane dla próbek z jaskini Cueva Roselló wynoszą 23340±120 i 22220±130 lat przed naszą erą natomiast te dla jaskini Trigo Jirka wynoszą 29140±260 lat przed naszą erą. Antyczne DNA (aDNA) pobrane z okazów rodzaju †Diabolotherium z jaskini Cueva Roselló (12^o szerokości geograficznej południowej) oraz z okazów tego samego rodzaju z jaskini Trigo Jirka (10^o szerokości geograficznej południowej) jest w trakcie badań filogenetycznych. Możliwość wyizolowania aDNA sugeruje, iż niskie temperatury, niska wilgotność oraz osłonięcie jaskiń przez działaniem promieniowania UV na dużych wysokościach pozwala na przeprowadzenie badań tego kwasu na niskich szerokościach geograficznych.  Jak dotąd badania tego typu były ograniczone do szerokości powyżej 35^o jeśli chodzi o próbki z plejstocenu. 

Słowa kluczowe: plejstocen, fauna jaskiniowa, Wielka Amerykańska Wymiana Biotyczna, ssaki południowoamerykańskie, antyczne DNA, palinologia, wiek radiowęglowy

Przetłumaczył: Robert Bronowicz

Riassunto in Italiano

Paleontologia virtuale: ricostruzione dell’andatura di vertebrati estinti usando l’High Performance Computing

La ricostruzione dell’andatura di animali estinti richiede l’integrazione di informazioni paleontologiche ottenute dai fossili con conoscenze biologiche di anatomia, fisiologia e biomeccanica degli animali attuali. Le simulazioni al computer riescono a combinare informazioni multimodali per ottenere delle stime che possono essere valutate e utilizzate per stabilire la verosimiglianza di diverse ipotesi locomotorie. Tuttavia, con l’avvento di supercomputer sempre più veloci, tali simulazioni possono esplorare una gamma di possibiltà più vasta, permettendo la formulazione di nuove ipotesi sull’andatura. In questo articolo documentiamo l’uso di un computer a 8000 processori per riprodurre modelli di andature plausibili dal punto di vista meccanico e fisiologico, nonchè modelli di piste, per un dinosauro subadulto (Edmontosaurus annectens), valutando anche una vasta gamma di diverse velocità. La ricostruzione anatomica presentata è in grado di correre e saltare con andatura bipede; trottare, andare al passo e ad ambio veloce con andature quadrupedi simmetriche; di procedere ad andature al galoppo asimmetriche. Sorprendentemente, l’andatura più veloce (17 ms^-1) è quella a salti, seguita dal galoppo quadrupede (16 ms^-1) e dalla corsa bipede (14 ms^-1). L’andatura a salti è considerata improbabile per questo animale; ciò implica che la nostra ricostruzione anatomica e/o fisiologica è errata, oppure che esistono vincoli significativi che per il momento non sono inclusi nella nostra simulazione, come carico scheletrico e coefficiente di sicurezza. Le cause più probabili potrebbero essere errori nella valutazione delle ampiezze dei movimenti delle articolazioni combinate ad errori della stima della lunghezza delle fibre muscolari e dei tendini, in quanto tali valori sono difficili da stimare. Quindi il processo di simulazione delle andature è in grado di ridurre il numero di stime di parametri incogniti di animali estinti sulla base di un supporto funzionale. Le geometrie delle piste derivate dai modelli di andatura sono attualmente molto elementari, a causa della semplicità dei modelli di contatto suolo/zampa utilizzati, ma dimostrano il potenziale futuro di questa tecnologia per interpretare e stimare la geometria delle piste.

Parole chiave: Locomozione; Dinosauro; Adrosauro; Robotica; Simulazione, Algoritmi genetici

Translator: Chiara Angelone