Studying bipedal dinosaur trackways using geometric morphometrics

Mireia Costa-Pérez, José Joaquín Moratalla, and Jesús Marugán-Lobón

Plain Language Abstract

This is a study on bipedal dinosaur trackway variation using geometric morphometrics (GM) presented at the 1st Palaeontological Virtual  Congress. GM is a technique that utilizes landmarks to compare shapes. Previous studies in trackways have gained important insight using traditional morphometrics (i.e., angles and lengths) but GM has only been used to study isolated footprints; hence, it was timely to test GM’s potential for trackway analysis. We used six landmarks to capture salient features of each dinosaur footprint, and digitized them along three consecutive footprints (one stride is three footprints, hence p=18 landmarks) in a sample of 75 dinosaur trackways from the literature. Given that different taxa were of different sizes and that they probably moved at different speeds when imprinting the trackways, we asked if any such factors featured the shape differences among the trackways. We found that the main differences between trackways, such as footprint relative sizes, relative step lengths and total gauge, were not assignable to ichnotaxa. In fact, we found that size and estimated speeds explain much of the observable trackway differences.

Resumen en Español

Estudiando rastros de dinosaurios bípedos utilizando morfometría geométric

El estudio de las huellas de dinosaurios ha ayudado a comprender aspectos clave sobre la anatomía y la biodinámica de estos organismos. La utilización de nuevas técnicas digitales ha permitido profundizar en preguntas más refinadas, tales como la naturaleza de la interacción entre el sustrato y el autópodo, permitiendo, además, comenzar a crear colecciones virtuales. Sin embargo, todavía es necesario utilizar nuevas metodologías que ayuden a extraer información analítica de las huellas y los rastros de manera más objetiva. La Morfometría Geométrica (MG) es una de estas herramientas avanzadas para el análisis de la forma que, sin embargo, sólo se ha utilizado para la comparación y evaluación icnotaxonómica de huellas aisladas de dinosaurios y nunca para el estudio de rastros. Usando MG en 2D, hemos estudiado las diferencias entre 75 rastros de dinosaurios bípedos seleccionados al azar de la literatura, preguntando si su variación estaría asociada a los distintos tamaños de las pistas y a las distintas velocidades a las que se estima que se movían los dinosaurios cuando dejaron los rastros. Los resultados muestran que el método es capaz de resumir de manera directa y visual las diferencias geométricas más significativas entre los rastros, destacando que dicha variación se relaciona con los tamaños relativos de las huellas, de su orientación y de sus posiciones relativas. Cabe destacar que, estadísticamente, ninguna de estas diferencias es icnotaxonómica, mientras claramente se correlacionan con la variación de tamaño, y en un grado mucho mayor, con las velocidades a las que se estima que se realizaron los rastros. Además, el tamaño y la velocidad no están relacionados estadísticamente, lo que implica que gran parte de las diferencias entre rastros se deben mayormente a las distintas biodinámicas de los dinosaurios bípedos y a aspectos tafonómicos.

Palabras clave: Dinosaurios Bípedos, Forma, Huellas, Morfometría Geometrica, Paleoicnología, Rastros

Traducción: Authors

Résumé en Français

In progress

Translator: Antoine Souron

Deutsche Zusammenfassung

Untersuchung bipedaler Dinosaurierspuren mit Hilfe geometrischer Morphometrie

Traditionell war das Studium von Dinosaurierfußabdrücken und Spuren hilfreich, um mehr über die Anatomie des Spurenverursachers und seine Biodynamik zu erfahren. Durch die Implementierung digitaler Techniken wurde es möglich virtuelle Sammlungen aufzubauen oder schwer fassbare Nachweise, wie z.B. der Art der Interaktion zwischen Extremitäten und Substrat umzusetzen. Es werden jedoch neue Methoden benötigt, um objektiver Merkmale zu unterscheiden, die unbemerkt in Abdrücken und Spuren verborgen liegen. Geometrische Morphometrie (GM) ist eines dieser fortschrittlichen Werkzeuge für die Formanalyse, aber es wurde nur zum Vergleichen und für die ichnotaxonomische Beurteilung von isolierten Fußabdrücken verwendet, und nie für die Untersuchung von Dinosaurierspuren. Mit 2D GM analysierten wir die Unterschiede zwischen 75 zufällig ausgewählten Spuren von zweibeinigen Dinosauriern aus der Literatur und testeten, ob die Variation mit der Größe der Spuren und den geschätzten Geschwindigkeiten zusammenhängt, mit denen sich diese beim Verlassen der Spuren bewegten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Verfahren die meisten geometrischen Unterschiede der Spuren leicht zusammenfasst und stellen dar, dass sich diese Unterschiede auf die relativen Größen der Grundfläche, ihre Ausrichtung und ihre relativen Positionen innerhalb der Spuren beziehen. Wichtig ist, dass die multivariaten Statistiken zeigten, dass keiner dieser Unterschiede Ichnotaxa zugeschrieben werden konnte, während sie eindeutig mit der Größe und, in einem viel größeren Ausmaß, mit den geschätzten Geschwindigkeiten korrelierten, mit denen die Spuren gemacht wurden. Darüber hinaus stehen Größe und Geschwindigkeit in keinem Zusammenhang, was bedeutet, dass viele der Unterschiede auf die Biodynamik von zweibeinigen Dinosauriern zurückzuführen ist, unabhängig von ihrer Zuordnung als Spurenverursacher.

Schlüsselwörter: Bipede Dinosaurier, Fußabdrücke, geometrische Morphometrie, Paläoichnologie, Form, Spuren

Translator: Eva Gebauer

Arabic

Translator: Ashraf M.T. Elewa

Polski

Badanie śladów dwunożnych dinozaurów przy użyciu morfometrii geometrycznej

Tradycyjnie badanie tropów i śladów dinozaurów było pomocne w poznaniu anatomii trackmakera i jego biodynamiki. Wdrożenie technik cyfrowych umożliwiło ponadto zgłębienie nieuchwytnych dowodów, takich jak charakter interakcji autopodium-podłoże i budowanie wirtualnych kolekcji. Potrzebne są jednak nowe metody, które pomagają w bardziej obiektywnym odróżnianiu cech, które zawarte są w tropach i śladach. Morfometria geometryczna (GM) jest jednym z takich zaawansowanych narzędzi do analizy kształtu, ale do tej pory była wykorzystywana tylko do porównania i ichnotaksonomicznej oceny odizolowanych śladów stóp, a nigdy do badania tropów dinozaurów. Za pomocą 2D GM przeanalizowaliśmy różnice między 75 losowo wybranymi tropami dinozaurów dwunożnych z literatury i sprawdziliśmy, czy ich zmienność była związana z rozmiarem tropów i szacowanymi prędkościami, z którymi zwierzę się poruszało. Nasze wyniki wskazują, że metoda z łatwością podsumowuje większość różnic geometrycznych toru, pokazując, że taka zmiana dotyczy względnych rozmiarów śladu, ich orientacji i względnych pozycji w obrębie toru. Co ważne, statystyki wielowymiarowe wskazują, że takich różnic nie można przypisać do ichnotaksonu, podczas gdy wyraźnie korelują one z rozmiarem, a w znacznie większym stopniu, z szacowanymi prędkościami. Co więcej, rozmiar i prędkość nie są ze sobą powiązane, co oznacza, że znaczna część różnic wiąże się z biodynamiką dwunożnych dinozaurów, niezależnie od ich pozycji taksonomicznej.

Słowa kluczowe: dinozaury dwunożne, ślady stóp, morfometria geometryczna, paleo-technologia, kształt

Translator:  Krzysztof Stefaniak