The Devonian placoderm fish Bothriolepis canadensis revisited with three-dimensional digital imagery

Isabelle Béchard, Félix Arsenault, Richard Cloutier, and Johanne Kerr

Plain Language Abstract

The external morphology of the Late Devonian placoderm fish Bothriolepis canadensis from the Escuminac Formation (Miguasha, Canada) is reanalyzed using cutting-edge technology in three-dimensional (3D) digital imagery such as 3D surface scanner and 3D modeling software to create a 3D digital model. Digital manipulation of the model allows us to investigate some biomechanical aspects and constraints of the morphology. In contrast to previous interpretations, there is no indication of mobility between the cephalic and thoracic armors. A gill opening is clearly visible and the cephalic plates surrounding it are immobile. The dorsal plates of the thoracic armor form a hydrodynamic dorsal crest, which most likely has an important role in locomotion. Investigation of pectoral fin movement excluded the possibility of stroking and using them as anchoring devises. The 3D model of B. canadensis brings out unexpected novelties on one of the supposedly best-known Devonian fish.

Resumen en Español

Revisión, con imágenes digitales tridimensionales, del placodermo devónico Bothriolepis

En este artículo se analiza de nuevo la morfología externa del pez placodermo Bothriolepis del Devónico tardío de la Formación Escuminac (Miguasha, Canadá) empleando tecnología de imágenes digitales tridimensionales de última generación como escáner de superficie 3D y software de modelización tridimensional. Se han usado diecinueve ejemplares bien preservados de B. canadensis para reconstruir un modelo digital en tres dimensiones de la armadura dérmica y cuatro para reconstruir la parte carnosa posterior del cuerpo. La manipulación digital del modelo nos ha permitido analizar algunos aspectos biomecánicos y limitaciones de la morfología. En trabajos anteriores se había conjeturado, a partir de reconstrucciones inexactas, sobre la movilidad de la armadura cefálica, las placas submarginales y las aletas pectorales. En contra de las interpretaciones previas, no hemos hallado indicios de movilidad entre las armaduras cefálica y torácica. La placa submarginal queda inmovilizada en la armadura cefálica, y la abertura branquial se localiza entre las placas submarginal y ventrolateral anterior de la armadura torácica. La elevación medio-dorsal de la armadura torácica forma una cresta dorsal hidrodinámica con su máxima altura situada a lo largo de la placa media dorsal, y que, muy probablemente, tenía un papel importante en la locomoción. Las posiciones completamente retraída y extendida (70º) de las aletas pectorales permiten solo un movimiento restringido, excluyendo la posibilidad de utilizarlas para la propulsión o como elementos de anclado. El máximo de movilidad se alcanza en un ángulo extendido de 16º, que permite una rotación de 32º alrededor del proceso braquial y de 15º en un movimiento de arriba abajo. En resumen, el modelo tridimensional de B. canadensis pone de manifiesto novedades inesperadas con respecto al pez devónico supuestamente mejor conocido.

Palabras clave: Bothriolepis canadensis; Placodermi; reconstrucción; modelo tridimensional: escáner 3D; locomoción; realidad aumentada

Traducción: Miguel Company

Résumé en Français

Le poisson placoderme du Dévonien Bothriolepis canadensis revisité à partir d'imagerie numérique en trois dimensions

La morphologie externe du placoderme Bothriolepis canadensis du Dévonien supérieur de la Formation d'Escuminac (Miguasha, Canada) a été révisée à l'aide d'instruments à la fine pointe de la technologie dans le domaine de l'imagerie 3D. Dix-neuf spécimens bien conservés de B. canadensis ont été utilisés afin de construire un modèle numérique 3D de l'armure dermique et quatre spécimens ont été utilisés afin de reconstruire la partie postérieure du corps. La manipulation virtuelle du modèle 3D a permis de réévaluer certaines fonctions et contraintes biomécaniques de la morphologie du B. canadensis. Contrairement aux interprétations précédentes, formulées à partir de reconstructions erronées, aucun indice ne laisse croire à la possibilité de mouvement entre les armures céphalique et thoracique. Au niveau de l'armure céphalique, la plaque submarginale est immobile et une ouverture branchiale distincte est située entre la plaque submarginal et la plaque antérieure ventrolatérale de l'armure thoracique. La crête médiane dorsale de l'armure thoracique atteint son maximum de hauteur au niveau de la plaque médiane dorsale et forme une structure dorsale hydrodynamique qui joue un rôle stabilisateur lors de la locomotion. En position fermée et ouverte au maximum (70°), les nageoires pectorales ne peuvent presque pas bouger, ce qui exclue la possibilité de les utiliser d'une quelconque façon pour la propulsion ou comme système d'encrage. Le maximum de mobilité est permit par un angle d'ouverture d'au moins 16° qui permet un mouvement de rotation de 32° autour du processus brachial et de 15° dans un mouvement de bas-en-haut. Bothriolepis canadensis est souvent qualifié comme étant le poisson du Dévonien le plus connu, malgré cela, le modèle 3D a tout de même permis de découvrir des nouveautés.

Mots-clés: Bothriolepis canadensis; Placodermi; reconstruction; trois dimensions (3D); modèle 3D; scanner 3D; locomotion; réalité augmentée

Translator: Isabelle Béchard and Kenny J. Travouillon

Deutsche Zusammenfassung

Der devonische Placoderme Bothriolepis canadensis neu-untersucht mit dreidimensionaler digitaler Bildgebung

Die extreme Morphologie des spätdevonischen Placodermen Bothriolepis canadensis aus der Escuminac Formation (Miguasha, Kanada) wird mit Cutting-Edge Technologie wie 3D Oberflächenscanner und 3D Modellierungssoftware neu-analysiert. Für die Rekonstruktion eines 3D Modells der Panzerplatten wurden neunzehn gut erhaltene Stücke von B. canadensis verwendet, wobei anhand von vier Stücken der fleischige hintere Teil des Körpers rekonstruiert wurde. Digitale Manipulation des Modells erlaubt es uns einige biomechanische Aspekte und Constraints der Morphologie zu untersuchen. Über die Mobilität des Kopfpanzers, der submarginalen Platten und der Brustflossen wurden vorher Hypothesen aufgestellt, die auf inakkuraten Rekonstruktionen basierten. Im Gegensatz zu vorhergehenden Interpretationen gibt es keine Hinweise auf eine Beweglichkeit zwischen Kopf-und Brustpanzer. Die submarginale Platte sitzt bewegungsunfähig auf dem Kopfpanzer; eine Kiemenöffnung befindet sich zwischen den submarginalen und anterioren ventrolateralen Platten des Brustpanzers. Der mediane dorsale Kamm auf dem Brustpanzer formt einen hydrodynamischen dorsalen Kamm. Dessen maximale Höhe verläuft entlang der posterioren medianen Dorsalplatte, die höchstwahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Lokomotion spielt. Bei kompletter Retraktion und Protraktion (70°) der Brustflosse ist nur eine beschränkte Bewegung möglich und ein Auf-und Abschlagen oder die Nutzung als Ankerhilfe ist ausgeschlossen. Das Maximum an Mobilität wird bei einer Protraktion von 16° erreicht, was eine Rotation von 32° um den Brachialprozess erlaubt und 15° an Auf-und Abbewegung. Das 3D Modell von B. canadensis verdeutlicht unerwartete Neuerungen zu einem der angeblich bestbekanntesten devonischen Fische.

Keywords: Bothriolepis canadensis; Placodermi; Rekonstruktion; dreidimensional (3-D); 3D Modell; 3D Scanner; Lokomotion; erweiterte Realität

Translator: Eva Gebauer

Arabic

Translator: Ashraf M.T. Elewa