Air-filled Bones Extended Lung Capacity And Helped Prehistoric Reptiles Take First Flight

ScienceDaily (Feb. 18, 2009) — In the Mesozoic Era, 70 million years before birds first conquered the skies, pterosaurs dominated the air with sparrow- to Cessna-sized wingspans. Researchers suspected that these extinct reptiles sustained flight through flapping, based on fossil evidence from the wings, but had little understanding of how pterosaurs met the energetic demands of active flight.

A new study published February 17 in the journal PLoS One by researchers from Ohio University, College of the Holy Cross and the University of Leicester explains how balloon-like air sacs, which extended from the lungs to inside the skeleton of pterosaurs, provided an efficient breathing system for the ancient beasts. The system reduced the density of the body in pterosaurs, which in turn allowed for the evolution of the largest flying vertebrates.

"We offer a reconstruction of the breathing system in pterosaurs, one that proposes the existence of a mechanism with the same essential structure to that of modern birds — except 70 million years earlier, " said study co-author Leon Claessens, an assistant professor of biology at the College of the Holy Cross.

The system would have facilitated the necessary gas exchange to enable sustained activity, added co-author Patrick O'Connor, an assistant professor of biomedical sciences at the Ohio University College of Osteopathic Medicine.

Claessens and O'Connor were inspired to conduct the study after David Unwin of the University of Leicester, then curator at the Natural History Museum in Berlin, showed them an extraordinarily preserved pterosaur in 2003. The scientists thought the specimen might finally shed light on how the animals powered sustained flight.

"The shape and size of the rib segments that articulate with the sternum indicate that the ribcage was mobile, contrary to previous ideas, " Claessens said.

Unique and previously unrecognized projections on the ribs provided important leverage for the muscles that power lung ventilation, he added.

Because fossils rarely preserve soft tissues, the research team conducted a comparative study that included pterosaurs, birds and crocodilians in order to get a better understanding of the relationships among air sacs, lung structure and the skeleton. By using X-ray movies and CT scans, the group characterized how the skeleton works to move air through the lungs in living animals, and also how to identify the signature traces left on bones that have been invaded by air sacs.

Not only do the extinct pterosaurs show evidence that their bones that were invaded by air sacs, but patterns of pneumaticity throughout the entire skeleton of different pterosaur species parallel trends identified in many living bird groups. For example, there is a direct relationship between the proportion of the skeleton invaded by air sacs and the absolute body size of an animal.

"Whereas small-bodied pterosaurs and birds typically pneumatize only a restricted part of the backbone, larger-bodied species routinely pneumatize most bones of the body, including the wing skeleton out to the ends of the fingers, " O'Connor said.

Such modifications of the skeleton would have reduced bone density and resolved a major problem with sustaining flight in large-bodied pterosaurs: the energetic cost of keeping a heavy body up in the air. Density reduction of the skeleton in pterosaurs may have been beneficial, particularly so in the aerial giants—just as it appears to be in the largest flying birds today.

Air sacs in birds also serve other purposes, such as for visual displays and the production of sound, the researchers said. The existence of an analogous air-sac system in pterosaurs highlights new areas of research in which paleobiologists can explore aspects of pterosaurian biology.

The research was funded by the National Science Foundation, Harvard University, and the Ohio University College of Osteopathic Medicine and Office of Research.

VERSIONE ITALIANA

SCOPERTO NEI RETTILI PREISTORICI CHE LE OSSA CON CAVITA' PIENE D'ARIA ESTENDEVANO LA CAPACITA' POLMONARE.

Nell'era Mesozoica circa 70 milioni di anni prima che gli uccelli conquistassero il cielo, alcuni Pteurosauri si sostenevano in volo grazie all'aria contenuta in apposite sacche.

Un nuovo studio pubblicato il 17/Febbraio di quest'anno sulla rivista PLoS da alcuni ricercatori provenienti dalla Ohio University, e l'Università di Leicester spiega come vi potessero essere delle sacche interne piene d'aria che estendevano la capacità polmonare.

Questo sistema avrebbe ridotto anche la densità del corpo dei Pterosauri che a sua volta ha permesso l'evoluzione dei più sofisticati vertebrati volanti.

L'assistente Leon Claessens, professore di biologia presso Sat Crouce College, sostiene che questa ipotesi ricostruisce il sistema di respirazione dei Pterosauri proponendo l'esistenza di un meccanismo che avrebbe avuto sostanzialmente la stessa struttura dei moderni uccelli - ad eccezione del fatto che accadeva 70 milioni di anni prima.

Il sistema avrebbe facilitato il necessario scambio di aria che necessitava nelle attività di volo.

Nel 2003 questi ricercatori ebbero la fortuna di aver mostrato presso il museo di storia naturale di berlino, un esemplare di pteurosauro straordinariamente conservato.

Quando lo videro gli scienziati hanno pensato che quel modello potesse finalmente far luce sul modo con cui quegli animali potessero effettuare un volo prolungato.

Ha detto Claessens " La forma e le dimensioni dei segmenti della costola che articolano lo sternmi indicano che quell'osso era in gardo di muoversi, contrariamente a quanto si pensava precedentemente".

Unico caso in cui si poteva vedere come vi fossero delle leve fatte da muscoli per aumentare la potenza della ventilazione polmonare.

poichè raramente si riescono a trovare fossili con parti di tessuti molli conservati, il team di ricerca ha condotto uno studio comparativo tra pteurosaur, uccelli al fine di ottenere una migliore compresnione dei rapporti tra le sacche piene d'aria, i polmoni, e la struttura delle ossa "cave", cioè piene anche loro di cavità piene d'aria.

Si è così capito come vi sia una stretta correlazione tra la densità ridotta delle ossa e le dimensioni assolute dell'animale.

Queste modifiche alla struttura ossea risolse un'importante problema che era quello di sostenere in aria un corpo di grandi dimensioni quali il corpo di un Pteurosauro.

Le sacche piene d'aria che avrebbero avuto questi rettili potevano anche essere utilizzate per la produzione di una qualche forma di suono.

La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation, L'Università di Harward, e la Ohio University College.