12 giugno 2010

Motivazione teorica per la presenza di piumaggio in _Tyrannosaurus_ adulto

Tyrannosaurus ed un elefante africano. Notate la forma affusolata del primo rispetto al secondo, che corrisponde ad una superficie corporea maggiore.
(Forse, un giorno, questa ricostruzione sarà totalmente obsoleta...)
Con la scoperta di Dilong abbiamo avuto la prima prova fossile che smentiva l'esistenza di pelle squamata in Tyrannosaurus. Tuttavia, nonostante queste evidenze, è stato proposto che Tyrannosaurus adulto fosse comunque privo di piumaggio. In assenza di prove dirette (ovvero, tracce di pelle inequivocabilmente associata a un adulto di Tyrannosaurus) è stato proposto un argomento teorico basato sul confronto con i grandi mammiferi tropicali attuali. 
L'argomento è il seguente: i grandi mammiferi con massa paragonabile a Tyrannosaurus (ippopotamo e elefante) sono privi di un denso manto pilifero. Ciò, probabilmente, per migliorare la dispersione dell'eccesso di calore in questi grandi animali endotermi in un clima caldo.
Questo ragionamento può essere applicato a Tyrannosaurus?
Partiamo dal presupposto che il piumaggio è un ottimo isolante termico, che trattiene il calore prodotto dal corpo, impendendone la dispersione all'esterno.
La prima cosa da calcolare è il tasso di dispersione di calore in Tyrannosaurus. Questo tasso "T" è direttamente proporzionale alla quantità di calore prodotto dal metabolismo e alla superficie corporea dell'animale (maggiore superficie = maggiore dispersione: ecco perché l'elefante africano ha padiglioni auricolari così espansi: perché ha un corpo relativamente compatto e deve aumentare la sua superficie disperdente per non morire surriscaldato).
Un elefante di 2 tonnellate ha una superficie corporea di circa 110.000 cm quadrati (fonte). Il suo rapporto superficie/massa è di 55 cm quadrati per kg.
Qui con me ho un modellino ben proporzionato di Tyrannosaurus in scala 1:30. Esso è ricopribile completamente con 630 cm quadrati di carta. Quindi, da ciò si deduce che la superficie esterna reale di un Tyrannosaurus di 6 tonnellate è di circa 560.000 cm quadrati.  Il suo rapporto superficie/massa è di circa 93 cm quadrati per kg. Ovvero, la sua superficie disperdente è in proporzione ben 1.7 volte maggiore di quello di un elefante di 2 tonnellate.
Quanto vale la quantità di calore corporeo che produceva Tyrannosaurus? Ovviamente, questo valore varia con l'attività corporea, quindi calcoliamo la quantità "base", a riposo. In base alle misurazioni sulle variazioni isotopiche dell'ossigeno presente nei fossili discussi in un precedente post, risulta che il tasso metabolico di  base in Tyrannosaurus era equivalente a quello di un mammifero di una tonnellata. Dato che Tyrannosaurus adulto pesava circa 6 tonnellate, risulta che esso produceva una quantità di calore (e necessitava di una quantità di carne) pari a quella necessaria ad un ipotetico mammifero carnivoro di 1 tonnellate (vi ricordate? era la strategie "C" del post sulle auto e i carri armati. Se il vostro punto di vista "mammalocentrico" vi può far pensare che questo sia un difetto "rettiliano" di Tyrannosaurus, potete rovesciare l'ottica e dire che con la stessa quantità di carne può prosperare un dinosauro 6 volte più massiccio di un mammifero con le stesse esigenze energetiche. Ovvero, il metodo "mammifero" è così dispendioso che non può superare una certa dimensione corporea, perdendo tutti i vantaggi che il gigantismo comporta in termini di competizione).
Questo cosa significa? 
Un Tyrannosaurus di 6 tonnellate genera lo stesso calore di un mammifero di 1 tonnellata. Nessun mammifero tropicale di 1 tonnellata (a parte le specie acquatiche) ha perduto la pelliccia: ciò dimostra che un animale tropicale che genera calore come un mammifero di 1 tonnellata  ed è ricoperto da pelo o piume non  ha necessità di perdere il suo tegumento.
Inoltre, anche se è 3 volte più massiccio di un elefante di 2 tonnellate, un Tyrannosaurus di 6 tonnellate ha una superficie di dispersione del calore 5 volte più ampia: quindi tenderà a disperdere il calore in eccesso con un efficienza doppia rispetto all'elefante.
Riassumendo: Tyrannosaurus produce molto meno calore di un elefante ma allo stesso tempo lo disperde con maggiore facilità: vi pare sensato, in quelle condizioni, che esso perda il suo utile piumaggio termoisolante? 

Pertanto, Tyrannosaurus ha tutto l'interesse a conservare il piumaggio dei suoi antenati, dato che produce meno calore e ha una superficie molto maggiore rispetto ad un mammifero di dimensioni analoghe.

Ovviamente, questa è un'elaborazione teorica... vedremo se un giorno scopriremo tracce di piumaggio o di pelle nuda associata ad adulti di Tyrannosaurus.

19 commenti:

  1. I thought there were skin/scale impressions from T. rex, from the tail area or am I thinking of something else? If true, this shows that they were at least partially scaled like traditionally thought. ( I'm completely neutral on this don't really care either way.)

    Best,

    Brett

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  2. Yes, Brett, I know these claimed T-rex skin fragments.
    Unfortunately, they are not published in a true scientific paper, so, I prefer not to consider them valid until someone will study and publish them.
    I'm also neutral on this. As I wrote at the end of the post: this is only an hypothesis based on mathematical assumptions, pending the true data.

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  3. Hi Andrea,

    But isn't that like withholding evidence? It might be unpublished but it's one of those things everyone 'knows.' I've known about it for years now.

    Doesn't it sort of put a monkey wrench in the hypothesis right from the get go, at least for T.rex? It is interesting that the larger theropods had the potential to be feathered but the most likely candidate for this had at least some scaled skin... maybe;)

    Best,

    Brett

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  4. What does "Everyone knows" means?
    Everyone only knows that in some web pages and in few books is quoted the existence of "T-rex skin". Are these quotes true? Are these quotes based on a scientific study?
    That's not how good science works.

    I need:
    -full and detailed description of the preserved specimens, (including geologic data)
    -institutional location where these specimens are (museum/university)
    -a review of these finds by dinosaur experts

    Pending these events, there are no scientific evidence of "T-rex skin".
    Don't you find unusual that a find so exciting as "T-rex skin" is known "by everyone" since 1997 but was never published in a true scientific study. The biggest scientific journals would be very interested to publish a similar news... Sincerely, it seems odd... If I should find a T-rex skin, I would not publish it after 15 years...

    This is the main reason why I'm skeptical and prefer not to quote these "news" pending a true scientific paper.

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  5. Brett,

    the only publised evidence of skin in Tyrannosaurus is from Larson & Carpenter's "Tyrannosaurus rex: The Tyrant King", where small tubercolate skin fragments from the ventral side of the tail are reported. No other part of the body are reported to preserve the skin, so we only know that the ventral skin of the tail bears small tubercolate scales. Consider also that Larson & Carpenter's "Tyrannosaurus rex: The Tyrant King's" is a book and not a peer-reviewd article. Also, consider Psittacosaurus: its ventral side of the tail is covered by tubercolate scales, but this does not mean it was completely scaly.

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  6. I once came to the conclusion that even big tyrannosaurids may not have lost all their ancestral integument (though not through any particularly in depth method), so this is good to see.

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  7. Argomento e supposizione davvero molto interessanti. Chiedo in anticipo le mie scuse per la sfilza di domande che sto per porgere, ma volevo assolutamente saperne qualcosa in più se possibile. Ti volevo chiedere (se posso darle del tu) se tale motivazione teorica spiegherebbe la mancanza di piume in ornitischi di media e grande taglia (da Tethyshadros a Triceratops ed Edmontosaurus per esempio) e nei sauropodi. Forse essendo animali erbivori dovrebbero produrre una maggior quantità di calore, indi per cui la presenza di tegumento quali proto-piume et similia non è necessaria come nei teropodi carnivori (sempre se le strutture trovate in Theropoda, Ornitischia e Pterosauria siano omologhe e quindi associabili ad un antenato comune)?
    Per lo stesso motivo teropodi erbivori giganti quali Therizinosaurus e Deinocherius dovrebbero perciò essere parzialmente se non totalmente glabri?
    Inoltre questa motivazione teorica spiegherebbe la (presunta) assenza di piumaggio in Ceratosauria (riferendomi ai resti di pelle preservati ed associati rispettivamente a Ceratosaurus e Carnotaurus)? Oppure, potrebbero essere considerati animali anfibi ma mancanti di adattamenti prettamente acquatici (ad esclusione delle caratteristiche che hai presentato nei Carnotaurinae) come nel caso degli Spinosauridae e perciò “squamati” e “nudi” come nel caso di coccodrilli ed ippopotami? Si può perciò supporre che gli Spinosauridae (più precisamente delle dimensioni di Spinosaurus ed Oxalaia) siano sprovvisti di piumaggio proprio perché non necessario per lo stile di vita supposto per suddeta famiglia di Megalosauroidea? Logicamente, senza uno studio più approfondito sulla misurazione degli isotopi di ossigeno in più gruppi di Dinosauria non si potrebbe dedurlo, ma ritengo che la domanda andava posta fintanto ci fosse stata la minima associazione fra le due cose.
    Chiedo nuovamente venia per l’innumerevole quantità di domande richieste e per il disturbo ad esse associato.
    Grazie mille

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  8. Smnt2000, a tutte le tue domande si rispode "No", nel senso che il ragionamento del post non implica nessuna delle tue domande. Inoltre, non esistono motivi a priori per cui animali erbivori debbano produrre più calore dei carnivori, né per animali presunti semiacquatici (i ceratosauri non lo sono, e anche ammettendo che qualcuno lo fosse ciò non inciderebbe direttamente sul suo piumaggio).

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  9. Ok, grazie mille per la risposta ;)

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  10. Il tuo ragionamento è molto interessante e direi che non fa una piega. Ti faccio solo qualche(se dico stupidaggini correggimi ovviamente):

    la temperatura media del Maastrichtiano da quel che ne so era comunque più alta dell'attuale (inclusa la savana), non pensi che questo avrebbe potuto permettere al Tyrannosaurus di conservare più a lungo il calore anche senza un isolante?

    Il tuo ragionamento funziona sapendo che il Tyrannosaurus ha antenati piumati, ma riguardo agli altri teropodi (almeno per il momento) non piumati?

    Spero di non aver fatto domande inutili, o perlomeno di averle espresse in modo corretto. Ti ringrazio in anticipo
    Simone

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  11. Mi sai dire le veriazioni di temperatura annuale nel Normaerica occidentale nel Maastrichtiano superiore e confrontarlo coi tropici attuali? Se non lo sai non possiamo dire altro.
    Il discorso fatto sul piumaggio in Tyrannosaurus è valido anche per gli altri theropodi giganti.

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  12. No, ovviamente no (giusto per curiosità, è possibile sapere le variazioni annuali oppure no?).
    Comunque grazie per la risposta.
    Simone

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  13. Siccome sei nuovo del blog, ed i tuoi dubbi sono climatici, forse dovresti leggere questi:
    http://theropoda.blogspot.com/2009/04/i-theropodi-della-formazione-wapiti.html
    e sopratutto:
    http://theropoda.blogspot.com/2009/01/theropodi-e-hadrosauridi-polari.html

    Comunque vorrei aggiungere che i climi variano non solo nel tempo ma nello spazio (sud-nord) e nella quota.

    La Laramidia nel cretaceo terminale era un'isola che partiva ai tropici (in Messico) e finiva vicino al cicolo polare artico (dalle parti dell'Alaska). I _T. rex_ abitano la metà nord di quest'isola. Anche se i loro scheletri sono provengono per lo più dalla zona compresa tra il Sud Dakota e il confine Canadese, a livello di denti (ovviamente i denti non sono diagnostici a livello di specie, ma possono essere un indizio) arrivano fino alla punta più settentrionale.

    Inoltre poco più di 80 milioni di anni fa la Laramidia ha cominicato a corrugarsi, con una fase orogenica che ha prodotto le Montagne Rocciose attuali. Le zone di montagna sono dominate dall'erosione, e quindi non sono molto fossilifere, ma è assai probabile che i _T. rex_ non vivessero solo nelle pianure costiere torride della costa del Mar di Niobara, ma anche sulle colline (montagne in formazione).

    Non trovo più il link, ma la vegetazione della zona di Hell Creek, se non erro, era dominata da latifoglie della famiglia delle querce, mangnolie, conifere e altre piante oggi tipiche dei climi caldi "mediterranei" (sopratutto con estati secche), mentre se si andava più a nord predominavano latifoglie con le foglie molto frastagliate (che sono associate a climi temperati), felci pioniere e conifere da climi freschi. All'estremo nord dell'Alaska il clima doveva essere sui 10-15 gradi (non ricordo più) di media anua.

    Dopo tutto il polo nord era libero dai ghiacci, ma era piuttosto freddo d'inverno, visto che la notte durava comunque mesi. Ed è piuttosto facile immaginare venti freddi da nord durante l'inverno nella regione dell'Alaska, dove, per altro, l'inverno era poco luminoso.

    In conclusione anche se il clima era in genere più caldo di oggi, ed anzi andava riscaldandosi (il picco sarebbe arrivato nell'Eocene inferiore, ma il Campaniano era più caldo del Maastrichtiano), nelle zone settentrionali dell'habitat del _T. rex_, sopratutto in quota, poteva fare decisamente fresco, specie d'inverno.

    Comunque le piume non servono solo per termoregolare, servono per sembrare più grossi, nel corteggiamento, ecc. ecc. Insomma ci sono infiniti buoni motivi per conservare il piumaggio se lo si è evoluto, e molto pochi per perderlo.

    Abbiamo solo bisogno di abituarci al _T. rex_ piumato (almeno dorsalmente), dopo essere cresciuti a dinosauri glabri.

    valerio

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  14. P.s.
    Sul piumaggio in Tyrannosaurus, paleo-are e dintorni (in italiano, abbastanza scientifico ma di facilissima comprensione) c'è anche http://agathaumas.blogspot.com/

    cerca un po' nel blog e troverai svariati post interessanti sull'argomento.

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  15. Conosco il blog, scritto dall'amico Fabio Manucci.

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  16. Grazie Valerio dei link e della risposta molto esauriente :)
    Comunque, giusto per intenderci, a me l'idea del Tyrannosaurus piumato non da assolutamente fastidio, anzi, da un po' di tempo a questa parte non riesco ad immaginarlo in altro modo.
    Simone

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  17. Ho letto tutti gli articoli consigliatimi (tra l'altro molto bello il blog agathaumas). Ora i dubbi si sono volatilizzati. Grazie ancora a tutti!
    Simone

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  18. Davvero affascinante. Mi ha colmato molti dubbi relativamente a queste moderne congetture. Penso leggerò presto il tuo manoscritto. Complimenti. Domanda invece che non centra molto: sono laureato in biotecnologia ma ho sempre studiato paleontologia per passione, chiaramente da autodidatta. eventualmente approfondendo quelle branche di cui non sono esperto, potrei combinare qualcosa di utile con la mia laurea in questo campo? grazie, spero di avere presto una tua risposta.

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    Risposte
    1. Mi scuso per il ritardo nella risposta.
      Le biotecnologie spaziano in vari ambiti, e non so quali possano avvicinarsi alla paleontologia. Se hai studiato biologia molecolare eventualmente potresti studiare filogenetica molecolare, la quale integra informazioni tratte dalla paleontologia nella calibrazione delle filogenesi ottenute dal dato molecolare.

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