OroBOT in het Phyletisches Museum in Jena.

290 miljoen jaar oud fossiel wordt robot voor onderzoek voortbeweging

Hoe bewogen de eerste landdieren zich voort? Om die vraag te beantwoorden, hebben onderzoekers een bijna 300 miljoen jaar oud fossiel en oude, fossiele pootafdrukken gebruikt om een bewegend robotmodel te maken van een prehistorische levensvorm. En wat bleek? De viervoeter Orobates pabsti bewoog zich blijkbaar vlotter voort dan tot nu toe gedacht werd, meer met een stevige tred dan al kruipend. Een geavanceerde voortbeweging op het land is blijkbaar ouder dan gedacht werd.

Evolutionair bioloog John Nyakatura van de Humboldt-Universität zu Berlin bestudeert al jaren een 290 miljoen jaar oud fossiel dat in 2000 opgegraven werd in de Bromacker-groeve in Duitsland. 

Het fossiel, Orobates pabsti genoemd, was een viervoetige planteneter die lang voor de dinosaurussen leefde, en die onderzoekers fascineert "vanwege zijn positie op de stamboom van het leven", zo zei Nyakatura aan het persbureau AP. Onderzoekers denken namelijk dat het wezen een "stam-amnioot" is, een vroege, op het land levende stamvader van de amnioten. 

Amnioten of amniota zijn een groep viervoetige dieren die zich ontwikkeld hebben uit de amfibieën, en die een vlies rond hun eieren hebben, het amnionvlies. Dat vlies beschermt de eieren, wat het hen mogelijk maakt om volledig op het land te leven, en ook in drogere streken, omdat ze voor hun voortplanting geen water meer nodig hebben. Dat in tegenstelling met de amfibieën, die doorgaans moeten terugkeren naar het water om hun eieren te leggen. Tot de amnioten behoren de zoogdieren, reptielen en vogels en hun uitgestorven voorouders. 

Onderzoekers nemen aan dat de eerste amphibieën zich zo'n 350 miljoen jaar geleden op het land waagden, en dat de eerste amnioten rond 310 miljoen jaar geleden op het toneel verschenen. Orobates pabsti is dus een vroege amnioot, en "een prachtig bewaard skelet, waarvan verschillende botten nog met elkaar verbonden zijn", zo zei Nyakatura.  Bovendien hebben onderzoekers ook een spoor van fossiele pootafdrukken geïdentificeerd als afkomstig van het 90 cm lange wezen. 

Het zeer goed bewaarde fossiel van Orobates pabsti in het Museum der Natur Gotha. John A. Nyakatura et al. Plos One 10 (9).

Levensgrote replica

Nyakatura besloot samen te werken met expert robotica Kamilo Melo van de Zwitserse École polytechnique fédérale de Lausanne om een model te ontwikkelen van hoe het dier zich zou voortbewogen hebben. 

De onderzoekers bouwden een replica op ware grootte van het prehistorische dier - "we maakten zorgvuldig een model van elk been, tot het laatste botje", zei Nyakatura - en testten dan de voortbeweging op verschillende manieren, om een beweging te vinden die zou overeenstemmen met de oude sporen die bewaard zijn gebleven. Daarbij sloten de onderzoekers de combinaties uit die anatomisch niet mogelijk waren. 

Ze herhaalden het onderzoek vervolgens met een iets grotere robotversie, die ze OroBOT noemden. De robot bestaat uit motoren die verbonden zijn door ge-3D-printe onderdelen uit plastic en staal. 

Dat model "helpt ons om de dynamiek uit de echte wereld te onderzoeken, waarbij we rekening houden met de zwaartekracht en wrijving", zei Melo. Het team vergeleek hun modellen ook met levende dieren, onder meer salamanders en leguanen.  

Een vooraanzicht van OroBOT in het museum in Jena.

Stevig de pas erin

Op basis van het robotmodel denken de onderzoekers dat Orobates een meer geavanceerde manier van voortbewegen had dan vroeger aangenomen werd van zo'n vroeg landdier. Blijkbaar was het dier in staat meer rechtop te stappen dan men vroeger dacht, zonder al te erg te waggelen, en zette het er eerder stevig de pas in dan dat het voortkroop. 

"Het stapte in een behoorlijk rechtopstaande houding", zei Melo aan AP. "Het sleepte niet met zijn buik of zijn staart over de grond."

Thomas Holtz, een paleontoloog van de University of Maryland die niet betrokken was bij de studie, zei dat het onderzoek doet vermoeden dat "een rechtopstaande houding verder teruggaat dan we oorspronkelijk dachten."

De onderzoekers denken nu dat een efficiënte, rechtopstaande voortbeweging op land voorafgaat aan de evolutie van de amnioten. "Onze metingen tonen aan dat Orobates een meer geavanceerde voortbeweging tentoonspreidde dan eerder werd aangenomen voor vroege viervoeters, wat doet veronderstellen dat een geavanceerde voortbeweging over land voorafging aan de diversificatie van de kroongroep van de amnioten", zo schrijven ze in Nature.

Een kroongroep is een clade of afstammingsgroep die bestaat uit een aantal nog steeds levende soorten en hun voorouders, teruggaand tot hun meest recente gemeenschappelijke voorouder, en ook al de andere afstammelingen van die gemeenschappelijke voorouder.

Een reconstructie van hoe Orobates mogelijk eruitgezien heeft. (Illustratie: © N. Tamura/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0)

"Geen tijdmachine maar een prikkelende kijk"

Technologieën zoals robotica, computermodellen en CT-scans zijn volop bezig de paleotologie te veranderen, en ze "geven ons meer geloofwaardige reconstructies van het verleden", zei Andrew Farke, een conservator aan het Raymond M. Alf Museum of Paleontoloy in Californië, die evenmin meegewerkt heeft de studie.

Stuart Sumida, een paleontoloog aan de California State University in San Bernadino die deel uitmaakte van het oorspronkelijke team dat fossielen van Orobates opgegraven heeft, noemde het een "opwindende studie". 

Sumida, die evenmin betrokken was bij deze studie, zei dat het onderzoek "een veel zekerder beeld geeft van wat er lang geleden gebeurd is. Het is geen tijdmachine, maar Nyakatura en zijn collega's hebben ons een prikkelende kijk op het verleden geboden."

De studie van Nyakatura en zijn Duitse, Zwitserse en Britse collega's is deze week gepubliceerd in Nature.

"Een fossiel tot leven brengen", een video van het team van Nyakatura over het experiment.