hadden dinosauriërs veren of geen veren? waren dino’s warm- of koudbloedig? het zijn maar enkele discussies die al meer dan honderd jaar voor controverse zorgen in de paleontologische wereld. pas sinds enkele decennia begint daar verandering in te komen. tot voor kort baseerde de paleontologie zich grotendeels op biologische kennis, niet zelden aangedikt met een portie fantasie. onderzoeksresultaten waren al te vaak het resultaat van gis- of nattevingerwerk. dankzij recente innovaties in computertechnologie, chemie, fysica en ingenieurswetenschappen is het vandaag echter steeds beter mogelijk om feit en fictie van elkaar te scheiden. ook de ontdekking van nieuwe fossielen helpt daarbij.

Oude dino’s, nieuwe inzichten

Leonard Dewaele

Fossielen zijn een onuitputtelijke bron van fascinatie voor een doorsnee vijfjarige, maar voor paleontologen zijn het uitdagende puzzels en vaak ook een oorzaak van grote frustraties. Velen herinneren zich waarschijnlijk nog wel hoe paleontologen de voorbije vijfentwintig jaar steeds weer moord en brand schreeuwden als er een nieuwe Jurassic Park– of World-film uitkwam. Die standaardreactie legt in feite een oud probleem binnen de paleontologie bloot: de onzekerheid met fossielen, de onvolledigheid van het fossielenbestand (het zogenaamde fossil record) en het feit dat we de dieren die erbij horen niet in levenden lijve kunnen bestuderen. Veel oudere inzichten uit de paleontologie waren dan ook eerder hypotheses dan onomstotelijke theorieën, die bovendien al te vaak in stand gehouden werden door machtige ego’s. Een elegante uitweg is het gebruik van proxy’s. Een proxy is een meetbare grootheid die toelaat om een niet-meetbare grootheid uit het verleden te bestuderen. Een bekend voorbeeld is het gebruik van CO₂ om temperatuursveranderingen te meten. Het is onmogelijk om temperaturen in het verleden a posteriori direct te meten, maar door de precieze positieve correlatie tussen temperatuur en atmosferische CO₂-concentratie kan deze laatste als proxy gebruikt worden om historische temperaturen en temperatuursveranderingen te meten. De verandering in CO₂-aanrijking in luchtbelletjes op verschillende dieptes in Groenlandse of Antarctische ijskernen laat toe de temperatuursveranderingen van de laatste duizend, tienduizend of meer jaar te meten.

Alleen al de etymologie van het woord dinosaurus geeft aan hoe onderzoekers worstelden met de vraag wat dino’s eigenlijk waren

Een structureel probleem daarbij is natuurlijk dat de meeste dinosauriërs geen hedendaagse vertegenwoordigers hebben (behalve vogels dan; zie Karakter 51). Vanuit dit perspectief kunnen we ook heel wat ‘flaters’ uit de beginjaren van de paleontologie beter begrijpen. Een mooi voorbeeld is een van de alleroudste grote vondsten uit de geschiedenis van de paleontologie: een dijbeenfragment uit het Engelse Oxfordshire, dat in 1677 beschreven werd door Robert Plot. Het bot was zo groot dat Plot het toeschreef aan een krijgsolifant of reus (!). In 1763 doopte Richard Brooks het restant Scrotum Humanum omwille van de treffende overeenkomst met een menselijk scrotum en omdat het ding nu eenmaal een naam moest hebben voor in z’n rariteitenkabinet.

Ook toen paleontologie zich meer en meer als een ‘wetenschap’ begon te ontwikkelen, wist men aanvankelijk niet wat te doen met fossielen van dinosauriërs. Alleen al de etymologische oorsprong van het woord dinosaurus (‘verschrikkelijke hagedis’) geeft aan hoe onderzoekers worstelden met de vraag wat dinosauriërs eigenlijk waren. De eerstgevonden skeletten van deze eerste dinosauriërs waren duidelijk anders dan die van hagedissen, maar hagedissen leken anno 1820 de minst slechte vergelijking. Het historische idee van dinosauriërs als grote hagedissen leidde toen ook tot een beeldvorming die vandaag grotendeels achterhaald is. Bekende voorbeelden hiervan zijn de Crystal Palace Dinosaurs-standbeelden in het Londense Crystal Palace Park: grote, geblokte, logge viervoeters die duidelijk gemodelleerd zijn naar hagedissen. Deze lachwekkende, logge beelden hebben weinig gemeen met het beeld dat het grote publiek vandaag heeft van dinosauriërs, dat op zich dan ook weer verschilt van het beeld dat paleontologen van dinosauriërs hebben. Inderdaad lachwekkend, op het eerste zicht, maar perfect begrijpelijk als je een fossiel hebt dat zo verschillend is van alle dieren die nu leven en je jezelf dus niet kan voorstellen hoe het bijhorende dier er eigenlijk uitgezien moet hebben. Popcultuur, en meer bepaald film, droeg – en draagt –  veel bij aan het achterhaalde idee dat veel mensen hebben over veel dinosauriërs: wat we weten over dino’s is veel veranderd sinds Jurassic Park uitkwam in 1993, maar wetenschappelijke accuratesse is uiteraard geen speerpunt in films. Dus waarom zouden filmmakers een sequel op een financieel succes aanpassen aan wetenschappelijke evoluties en nodeloos verwarring zaaien onder het publiek, zonder dat het iets bijdraagt aan het verhaal? Ergo, dino’s uit Jurassic World: Fallen Kingdom uit 2018 zijn quasi identiek aan hun broertjes uit Jurassic Park uit 1993.

Het pikhouweel, het borsteltje en het schriftje hebben het gezelschap gekregen van allerhande nieuwe technieken

Sinds een paar decennia is er echter een nieuwe wind beginnen waaien door dit onderzoeksveld. Het pikhouweel, het borsteltje en het schriftje hebben stilaan het gezelschap gekregen van allerhande nieuwe technieken vanuit verschillende onderzoeksdomeinen. Een daarvan is het osteohistologisch onderzoek, de studie van de inwendige botstructuur. Daarbij wordt een stukje bot uitgezaagd uit een groter been en aan een glazen plaatje gelijmd. Dat stukje wordt geslepen tot er een plakje bot overblijft met een dikte van amper 100 micrometer, waarvan de structuur onder een microscoop bestudeerd kan worden. Bot is een levend orgaan en is continu in verandering tijdens het leven van een individu. Daardoor kan microscopisch onderzoek van een bot een hoop informatie opleveren, bijvoorbeeld over de leeftijd waarop een organisme gestorven is. Daarnaast levert het in het geval van dinosauriërs ook informatie over de vraag of ze warm- of koudbloedig waren. Het codewoord in dit verband is lines of arrested growth of LAGs. Fysieke groei is voor veel gewervelde dieren een langdurig proces dat meerdere jaren duurt. Om hun metabolisme en groei op peil te houden, zijn koudbloedige dieren aangewezen op hun omgevingstemperatuur. Hierdoor groeit bot snel tijdens warmere maanden, maar vallen de groei en het metabolisme quasi stil tijdens koudere maanden, waarna de groei zich weer doorzet tijdens het volgende warme seizoen; dat proces is min of meer vergelijkbaar met de jaarringen van bomen. De LAG staat dus voor een periode waarin het bot niet aangroeit, voorafgegaan en gevolgd door periodes waarin het snel aangroeit. Of anders gezegd: een periode waarin het organisme weinig energie over heeft om te groeien, voorafgegaan en gevolgd door klimatologisch gunstige periodes waarin het organisme daar veel energie voor heeft. LAGs kunnen ook voorkomen in warmbloedige dieren, maar zijn dan vaak merkelijk minder uitgesproken. Zulke LAGs lieten tot dusver al toe om de ouderdommen van een grote groep dinosauriërfossielen te bepalen. Daarnaast is de aanwezigheid van LAGs in veel dinosauriërbotten een sterk argument voor koudbloedigheid. Desalniettemin heeft microscopisch onderzoek ook al argumenten geleverd voor warmbloedigheid van dinosauriërs. Koudbloedige dieren, zoals reptielen, groeien trager dan warmbloedige dieren, zoals vogels en zoogdieren, maar ze groeien wel hun leven lang. Studies waarin de groottes van fossielen van verschillende dinosaurussoorten geplot worden tegen de ouderdom van de individuen tonen resultaten die eerder aanleunen bij warmbloedige dieren dan bij koudbloedige.

Microscopisch onderzoek toont dus dat dinosauriërs eigenschappen van warm- en koudbloedige dieren combineren. Enerzijds leert dit dat er veel aspecten van de levenswijzen van dinosauriërs nog niet opgehelderd zijn. Anderzijds tonen deze resultaten aan dat dinosauriërs inderdaad totaal anders ineen zitten dan zoogdieren of reptielen. Dit illustreert goed dat, ondanks de reuzensprongen die we maken in paleontologisch onderzoek, technologie niet alles is en dat verdere ontwikkelingen en innovaties nodig blijven om te blijven ontdekken. Als we ervan uitgaan dat we alles kùnnen ontdekken.

Ondanks de reuzensprongen die we maken in paleontologisch onderzoek is technologie niet alles

Microscopisch onderzoek is echter maar een van de vele pijlen die paleontologen tegenwoordig in hun koker hebben. Met het ingaan van het digitale tijdperk in het laatste kwart van de vorige eeuw werd onder andere digitale fylogenie mogelijk. Fylogenie is de studie van de afstammingsgeschiedenis van organismen. Voorheen was het opstellen van een fylogenetische stamboom niet alleen zeer moeilijk, maar ook bijzonder subjectief. Vóór het digitale tijdperk vereiste het uittekenen van fylogenetische stambomen een uitermate diepgaande en volledige kennis van een grote groep soorten, fossiel of levend. Zo’n stamboom wordt opgebouwd op basis van onderscheidende kenmerken, maar aangezien het principieel gaat om zeer veel verschillende kenmerken (en dus om nog veel meer verschillende combinatiemogelijkheden) was het destijds haast onbegonnen werk om zo’n onderzoek tot een goed einde te brengen. Het probleem werd nog groter omdat iedere onderzoeker bewust of onbewust bepaalde kenmerken belangrijker achtte dan andere en er op die manier meer gewicht aan gaf. Via digitaal fylogenetisch onderzoek kan alles tegenwoordig in een wiskundige matrix gegoten worden: kenmerken worden expliciet beschreven en de mogelijke toestanden van een kenmerk worden expliciet mathematisch gekarakteriseerd. Bijvoorbeeld: een kenmerk kan de aanwezigheid van een bepaald bot X zijn, en de mogelijke toestanden kunnen ja (0) of neen (1) zijn. Via ondubbelzinnige vragen als kenmerken en een kwantificatie van de toestanden van deze kenmerken kan men makkelijk voor tientallen kenmerken en tientallen soorten op een wiskundige manier, met computers, bepalen welke fylogenetische stamboom het meest waarschijnlijk is. Twee soorten waarvoor de nulletjes en eentjes en tweetjes et cetera het vaakst hetzelfde zijn, zijn dus nauwer verwant dan soorten waarvoor deze minder vaak overeenkomen.

Ook ontwikkelingen in andere wetenschapstakken lieten de afgelopen decennia toe om met een nieuwe bril naar fossielen te kijken. Een voorbeeld is het onderzoek van stabiele isotopen in fossielen. Elk chemisch element bestaat uit een kern, bestaande uit positieve protonen en neutrale neutronen, omgeven door een wolk negatieve elektronen. Voor een bepaald element blijft in theorie het aantal protonen in de kern en het aantal elektronen rondom de kern constant, maar kan het aantal neutronen variëren. Zo heeft het element koolstof zes protonen en zes elektronen, maar kan de kern tussen de twee en zestien neutronen hebben. Koolstof heeft dus veertien verschillende isotopen. Te veel of te weinig neutronen in de kern maken deze onstabiel, waardoor het isotoop via radioactief verval uiteenvalt tot een stabiel isotoop van een ander element. De lichtste en zwaarste isotopen zijn voor veel elementen zodanig onstabiel dat ze maar fracties van seconden kunnen bestaan vooraleer ze vervallen. Voor veel elementen hebben de stabiele isotopen, die niet vervallen, ongeveer evenveel neutronen als protonen. Terwijl ¹⁴C een bekend onstabiel isotoop is van koolstof, zijn ¹²C en ¹³C stabiele isotopen die niet vervallen met verloop van tijd. Desondanks zijn er belangrijke fysische verschillen tussen beide. ¹²C heeft zes neutronen en zes protonen in de kern, ¹³C zeven neutronen en zes protonen. Hierdoor is een atoom van ¹³C verhoudingsgewijs ook een stuk zwaarder dan een atoom van ¹²C. Van alle koolstof op aarde is ongeveer 98,9 % ¹²C en 1,1 % ¹³C. ¹⁴C en de andere onstabiele isotopen komen slechts marginaal voor. De situatie is sterk gelijkaardig voor de drie stabiele isotopen van zuurstof: ¹⁶O (99,76 %), ¹⁷O (0,04 %) en ¹⁸O (0,20 %).

In een heteluchtballon wordt er ook meer energie verbruikt om een volwassene dan een kind omhoog te krijgen

Het interessante voor paleontologisch onderzoek is dat tijdens verschillende natuurlijke processen en cycli bepaalde isotopen ‘verrijkt’ worden of net niet. Een eenvoudig voorbeeld is de relatieve verrijking van ¹⁶O in wolken. Het water, H₂O, in oceanen heeft een bepaalde isotopische samenstelling: het overgrote deel van het water is H₂O met een lichter ¹⁶O-zuurstofisotoop, en een kleine fractie is H₂O met een zwaarder ¹⁸O-zuurstofisotoop. Tijdens verdamping van zeewater tot de vorming van wolken verdampen watermoleculen met het lichtere ¹⁶O een fractie makkelijker dan watermoleculen met het iets zwaardere ¹⁸O. In een heteluchtballon moet er ook minder gestookt worden om een lichter kind van de grond te krijgen en wordt er meer energie verbruikt om een volwassene van de grond te krijgen. Hierdoor verdampt verhoudingsgewijs meer van het lichte water met ¹⁶O-zuurstofisotopen dan water met zwaardere ¹⁸O-zuurstofisotopen. Het verschil is minimaal, enkele promilles, maar toch groot genoeg om duidelijk meetbaar te zijn met chemische apparatuur.

Deze isotopische ‘fractionatie’ van zeewater tijdens de vorming van wolken is slechts een van de ontelbare gelijkaardige isotopische fractionaties van koolstof en zuurstof (en andere stabiele isotopen) tijdens atmosferische, hydrologische, geologische, en biologische processen: verschillende grote groepen dieren en planten worden via hun verschillende ecosystemen en voedingswebben verrijkt in bepaalde isotopen van chemische elementen. In paleontologisch onderzoek naar dinosauriërs worden stabiele isotopen voornamelijk gebruikt om diëten te bepalen. Zo heeft chemisch onderzoek van botten, tanden en tandemail aangetoond dat verschillende groepen herbivore dinosauriërs zich voedden met deze of andere plantensoorten: zijn de diëten verrijkt met waterplanten, varens, naaldboomnaalden, bloemplanten? Zo suggereert onderzoek dat sommige sauropoden, of langnekdinosauriërs, zich voornamelijk voeden met varens op de grond, en andere met naalden van naaldbomen hoog in de lucht, die beide een verschillende signatuur van stabiele isotopen hebben. Of spectaculairder: de isotopische samenstelling van de tanden van Spinosaurus aegyptiacus wijst erop dat deze grote carnivoor voornamelijk vis at – in tegenstelling tot wat bijvoorbeeld Jurassic Park III beweerde.

In tegenstelling tot wat Jurassic Park beweerde, at de Spinosaurus aegyptiacus voornamelijk vis

Een laatste nieuwe techniek is de digitale eindige-elementenmethode (in het Engels: ‘finite-element analysis’ of FEA). De methode komt overgewaaid uit de ingenieurswetenschappen, en dan vooral de werktuigkunde. Het is een methode om de sterkte van een object tegen trek- en drukkrachten te berekenen, wat afhankelijk is van de samenstelling van het materiaal, maar ook van de afmetingen en vorm. In principe kan maximale druk op een schedel of bot makkelijk op het fossiel zelf gemeten worden. Helaas zijn er twee problemen. Enerzijds is de chemische en fysische samenstelling van een fossiel bot sterk verschillend van die van een gewoon bot: een fossiel is een steen, veel harder, maar ook iets minder flexibel. Als een bepaalde fossiele schedel een bepaalde druk kan weerstaan, wil dit dus nog niet zeggen dat dezelfde schedel in botmateriaal een gelijkaardige druk aankon. Anderzijds worden bij stresstesten de specimina getest tot ze breken, en geen enkele collectiebeheerder zou toelaten een unieke schedel met opzet te breken.

Digitale FEA is dus de oplossing. Niet alleen hoeven op die manier geen fossielen beschadigd te worden, het laat ook toe parameters over de botsamenstelling in te voeren. De allereerste gepubliceerde 3D-FEA-studie in de paleontologie was een stresstest uitgevoerd op een Allosaurus fragilis-schedel, een tweevoetige vleeseter die voor een leek op Tyrannosaurus rex lijkt, maar in de praktijk slechts zeer ver verwant was én meer dan dubbel zo oud is (ca. 150 miljoen jaar versus ca. 66 miljoen jaar). Het onderzoek toonde welke druk de tanden en de kaken konden weerstaan, zowel het praktische maximum als het absolute maximum vooraleer de kaken breken. Resultaat: de bijtkracht van de Allosaurus fragilis was onvoldoende om botten te breken. Later onderzoek, uitgevoerd op de Tyrannosaurus rex, toonde aan dat deze een merkelijk hogere bijtkracht had en wél in staat was botten te breken. Een hogere of lagere bijtkracht bepaalt niet alleen of een dier botten kan breken of niet. Het leert ook of een vleeseter al dan niet een grotere prooi kan neerhalen die harder tegenspartelt en hoe die vleeseter jaagt: probeert deze een prooidier letterlijk te breken, of moet hij doelgericht voor de zwakkere delen gaan?

Digitale stresstesten hebben al tal van mythes ontkracht en vragen beantwoord

In de paleontologie zijn digitale stresstesten natuurlijk niet beperkt tot het kwantificeren van de bijtkracht van dieren. Gelijkaardige studies hebben voor dinosauriërs ook andere mythes ontkracht en vragen beantwoord. Een mooi voorbeeld is de opvallende klauw die de Dromaeosauridae – waartoe onder meer de Velociraptor mongoliensis behoort – aan elke achterpoot hebben. Lang werd gedacht dat deze klauwen gebruikt werden om prooidieren open te snijden. Recent onderzoek naar de stressverdeling en de biomechanica van deze klauwen toonde echter aan dat ze gebruikt werden als klimijzers om houvast te krijgen op grotere prooien bij het jagen. Een andere studie onderzocht stress op de botten van de Tyrannosaurus rex tijdens het lopen, via digitale modellen. Conclusie: ten gevolge van zijn eigen lichaamsgewicht kon het dier waarschijnlijk niet sneller lopen dan 25-30 km/u zonder schade op te lopen aan de botten in z’n poten. Digitale modellen voor fossielen blijven natuurlijk een bepaalde onzekerheid behouden. Optimalisatie en controle van zulke modellen gebeurt constant aan de hand van praktijktesten waarbij we wél de resultaten kunnen verifiëren: modellen zoals van moderne reptielen en zoogdieren.

Microscopisch onderzoek, de rekenkracht van computers, isotopenonderzoek, stresstesten… Het zijn maar enkele voorbeelden van innovatieve technieken uit andere sectoren die het mogelijk maken een vollediger beeld te krijgen van dinosauriërs. Via steeds nieuwere technieken slagen paleontologen erin steeds meer informatie te puren uit de incomplete puzzel die het fossil record is. Paleontologen beschikken daardoor over steeds meer gegevens om hun hypothese te toetsen. Zodoende zal het verleden in de toekomst ongetwijfeld nog verder opgehelderd kunnen worden.

Leonard Dewaele is als postdoctorale FNRS-onderzoeker verbonden aan de Université de Liège en het Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen. Als masterstudent aan de UGent deed hij onderzoek naar babydinosauriërs, maar voor zijn doctoraat en huidig onderzoek stapte hij over naar de evolutie van zeehonden. Hij maakt gebruik van veel van de hier vermelde onderzoeksmethodes.