ティラノサウルスREXにおける口蓋バイオメカニクスと頭蓋運動に対するその意義

Palatal Biomechanics and Its Significance for Cranial Kinesis in Tyrannosaurus rex.

• Ian N Cost
• Kevin M Middleton
• Kaleb C Sellers
• Michael Scott Echols
• Lawrence M Witmer
• Julian L Davis
• Casey M Holliday

抄録

絶滅した恐竜のティラノサウルス・レックスは、これまでで最も噛みつきにくい動物の一つと考えられていますが、頭蓋運動をしていたのではないかという仮説がよく立てられています。T. rexの頭蓋運動は、通常、四足類では可動関節を持つ頭蓋骨ではなく、剛体の頭蓋骨を持っているというバイオメカニクス的パラドックスである。本研究では、ティラノサウルスの姿勢運動能力を評価するために、口蓋離脱を模倣した一連の静的姿勢を用いて、ティラノサウルスの頭蓋骨のバイオメカニクス的性能を試験した。機能的な現存系統分類では、測定可能な口蓋脱臼を示す分類群を用いた。その結果、Psittacus erithacus (前足運動)とGekko gecko (中足運動)を用いて、機能的な現存系統群を構築した。Psittacus, Gekko, Tyrannosaurusの静的有限要素モデルを構築し、解剖学的に得られた材料特性を用いて異なる口蓋姿勢で試験を行い、解剖、系統分類、筋構造の感度解析から得られた筋力を負荷し、モデル性能の代理として要素ひずみを用いた口蓋咬合シミュレーションで試験を行った。現存種のモデルでは、自然に発生している姿勢でのひずみは、代替モデルと比較して低いことが示された。その結果、ティラノサウルスのフォアフトおよびニュートラルモデルは、内側にシフトしたモデルよりも全体的なひずみが低いことがわかった。分岐筋は口蓋側の歪みを和らげ、後頭部の拘束は顎関節の拘束と比較して口蓋頭蓋関節に関する歪みを増加させた。これらの荷重挙動は、小さな変位であっても、構造的な破壊を超えて要素を歪ませることができることを示唆しています。このように、キネシスのこれらの姿勢テストは、他の頭蓋骨の特徴の堅牢性とともに、ティラノサウルスの頭蓋骨が機能的にアキネティックであったことを示唆している。Anat Rec, 303:999-1017, 2020.

The extinct nonavian dinosaur Tyrannosaurus rex, considered one of the hardest biting animals ever, is often hypothesized to have exhibited cranial kinesis, or, mobility of cranial joints relative to the braincase. Cranial kinesis in T. rex is a biomechanical paradox in that forcefully biting tetrapods usually possess rigid skulls instead of skulls with movable joints. We tested the biomechanical performance of a tyrannosaur skull using a series of static positions mimicking possible excursions of the palate to evaluate Postural Kinetic Competency in Tyrannosaurus. A functional extant phylogenetic bracket was employed using taxa, which exhibit measurable palatal excursions: Psittacus erithacus (fore-aft movement) and Gekko gecko (mediolateral movement). Static finite element models of Psittacus, Gekko, and Tyrannosaurus were constructed and tested with different palatal postures using anatomically informed material properties, loaded with muscle forces derived from dissection, phylogenetic bracketing, and a sensitivity analysis of muscle architecture and tested in orthal biting simulations using element strain as a proxy for model performance. Extant species models showed lower strains in naturally occurring postures compared to alternatives. We found that fore-aft and neutral models of Tyrannosaurus experienced lower overall strains than mediolaterally shifted models. Protractor muscles dampened palatal strains, while occipital constraints increased strains about palatocranial joints compared to jaw joint constraints. These loading behaviors suggest that even small excursions can strain elements beyond structural failure. Thus, these postural tests of kinesis, along with the robusticity of other cranial features, suggest that the skull of Tyrannosaurus was functionally akinetic. Anat Rec, 303:999-1017, 2020. © 2019 Wiley Periodicals, Inc.

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