有限要素解析を用いた最大の化石げっ歯類の咬合力と頭蓋のバイオメカニクスの予測

Predicting bite force and cranial biomechanics in the largest fossil rodent using finite element analysis.

• Philip G Cox
• Andrés Rinderknecht
• R Ernesto Blanco

抄録

ウルグアイの鮮新世に生息するJosephoartigasia monesiは、既知の齧歯類の化石の中で最大のものであり、その推定体長は1000kgである。本研究では，有限要素解析を用いて，J. monesiが切歯と頬歯で発生する最大咬合力を推定した．モデル入力の不確かさのために，筋力と配向を順次変更する感度調査を実施した．これにより、いくつかの咀嚼筋の機能についての結論を導き出すことができました。その結果、J. monesiは切歯部で1389N、第三大臼歯部で4165Nの咬合力を持つことがわかりました。筋力を20%変化させ，内側側面の向きを10°変化させると，各歯の咬合力に35%以下の誤差が生じることがわかった．予測された頭蓋骨全体の応力は、筋力と配向の変化による影響を最小限に抑えられましたが、頭蓋骨の強度に合理的な安全係数を明らかにしました。これらの結果とこれまでの研究を組み合わせることで、J. monesiは象のような行動をしていて、その切歯を牙のように使い、頬の歯で大きな咬合力を持って丈夫な植物を処理していたのではないかと推測されています。

Josephoartigasia monesi, from the Pliocene of Uruguay, is the largest known fossil rodent, with an estimated body mass of 1000 kg. In this study, finite element analysis was used to estimate the maximum bite force that J. monesi could generate at the incisors and the cheek teeth. Owing to uncertainty in the model inputs, a sensitivity study was conducted in which the muscle forces and orientations were sequentially altered. This enabled conclusions to be drawn on the function of some of the masticatory muscles. It was found that J. monesi had a bite of 1389 N at the incisors, rising to 4165 N at the third molar. Varying muscle forces by 20% and orientations by 10° around the medio-lateral aspect led to an error in bite force of under 35% at each tooth. Predicted stresses across the skull were only minimally affected by changes to muscle forces and orientations, but revealed a reasonable safety factor in the strength of the skull. These results, combined with previous work, lead us to speculate that J. monesi was behaving in an elephant-like manner, using its incisors like tusks, and processing tough vegetation with large bite forces at the cheek teeth.

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