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骨のカーブと応力

古代生物ダイエット:新しい研究で恐竜の体重が減った



Charles Choi, LiveScience Contributor
Date: 21 November 2012 Time: 08:43 AM ET


脚の骨を基本的な円柱へと単純化することで、以前の研究は動物の肢にかかる応力を最大で142パーセント過小評価することがあった。応力がヨーロッパハリネズミの大腿骨(a)と大型の鳥類、ウミガラス属の頸骨(b)で示される。
CREDIT: Charlotte Brassey


骨がカーブを描くという事実がいま、恐竜の体重の計算にカーブボールを投げている、と研究者たちは言う。

新しい見積もりは恐竜がかつての考えより軽いことを示す、と科学者たちは説明する。

皮膚、羽毛、剛毛などの軟組織の化石化した切れ端という稀な例外はあるにしても、ほとんどの絶滅生物の遺物はすべて骨格である。研究者がこれらの失われた動物について詳しく知ろうと努めていることの一つは、彼らの骨から体重を推測する方法である。

伝統的に、研究者たちは恐竜の体重を計算するのに脚の骨の周囲などの脚の計測値を使い、現生動物における体重とこの周囲の間の関係を理解し、「そしてこれを恐竜のサイズへとスケールしていた」とマンチェスター大学(イングランド)の生体力学者、シャーロット・ブラッシー(Charlotte Brassey)は話す。

単純のために、これらの経産は脚の骨を円柱梁とモデル化することが多い。ところが、「我々がその形にでこぼこを入れると――動物の骨によく見られる膨らみやへこみや曲がり――それはもはや円柱のようには振る舞わない」とブラッシーはLiveScienceに語った。

恐竜の衝突試験

これらの曲がった生体構造を単純化して入った誤差を克服するために、科学者たちは8種の現生動物による脚の骨の複雑な3-Dモデルを開発した。8種は、キリン、オジロワシ、ベニイロフラミンゴ、ヨーロッパハリネズミ、ウミガラス(大型鳥類)、ロックハイラックス(テンジクネズミ様の動物)、ショウガラゴ(オナガザル類の一種)、ヨーロッパケナガイタチ(イタチ様の動物)である。

研究者たちがデジタル上でバーチャルに骨の末端に応力をかけて骨の衝突テストをすると、彼らは「力の位置または方向をごくわずかに変えるだけで大きな量のたわみが起こる」ことを見いだした、とブラッシーは話した。

脚の骨を基本的な円柱へと単純化することで、以前の研究は動物の肢にかかる応力を最大で142パーセント過小評価することがあった。

「我々には骨を単純な梁へと変えることが計り知れないほどの単純化であることがいつも分かっていた」とブラッシーは話した。しかし「それがどれだけ非現実的かに気づいた」のは彼女がこのモデルを作って圧力をかけた後だった。

本当の恐竜の体重

これは、恐竜を含む、過去の化石種についての計算が、その脚で支持可能な最大体重を過大評価しているかもしれない、という懸念を起こす。

「残念なことに、『これらの計算は応力を20パーセント過小評価している』などと言えるほど話は単純ではない。そうではなく、基礎となる骨の形状による」とブラッシーは話した。「恐竜における体重推定は、全身を使ったアプローチのほうが望ましいだろう」


コンピュータ上のブラキオサウルスの「皮と骨」モデル。現生哺乳類のコンピュータモデルの分析では、それらは現実の動物より約20パーセント小さい。
CREDIT: Bill Sellers


研究者たちがギラッファティタンGiraffatitan(以前はブラキオサウルスBrachiosaurusと呼ばれていた巨大な恐竜)の体重推定にそのような全身アプローチを実行すると、体重は25トン(23メートルトン)になった。「それはいくつかの以前の推定よりかなり小さい」とブラッシーは話した。ギラッファティタンの以前の体重推定は31から86トン(28から78メートルトン)に及んでいた。

「他の科学者たちは有限要素解析がまだ計算資源的に高すぎ、時間を浪費しすぎると主張するだろう」とブラッシーは話した。「我々はこれを認めていて、有限要素解析を使いたくない人たちのために、我々の研究の中で梁計算にも改善を導入している」(有限要素解析は問題を、複雑な計算を使って互いの関係で解決できる、多くの小さな要素に分解する手法だ。)

研究結果は別の興味をそそる疑問を起こす。すなわち、最初の場所でなぜ骨は曲がっているのか?

「我々は骨に圧縮する力をかけたときに応力レベルが著しく増えることを見いだした。これは不利に思える。それでもほとんどの骨にある程度の曲がりがあるということは、進化がこの曲がりを取り除くように働いてないということだ」とブラッシーは話した。

曲がりがある理由にはたくさんの説がある――たとえば、筋肉を骨の周囲にまとめるため。「しかし我々はまだまったく解決には至っていない」とブラッシーは話した。

科学者たちは研究結果を11月21日にJournal of the Royal Society Interface誌にオンラインで詳細に発表した。

LiveScience
The Paleo-Diet: Dinosaurs Lose Weight in New Study
Charles Choi, Date: 21 November 2012 Time: 08:43 AM ET

原論文
Charlotte A. Brassey, Lee Margetts, Andrew C. Kitchener, Philip J. Withers, Phillip L. Manning and William I. Sellers
Finite element modelling versus classic beam theory: comparing methods for stress estimation in a morphologically diverse sample of vertebrate long bones
J. R. Soc. Interface 6 February 2013 vol. 10 no. 79 20120823
Published online November 21, 2012 doi: 10.1098/​rsif.2012.0823
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