有限元方法研究大型哺乳动物的系统演化和功能形态学中的力学因素

Morphology of fossil bones and teeth, which are main study objects in paleontology and facilitate to accomplish certain functions, are shaped by mechanical stimulation during their long term evolution. The finite element approach (FEA) can undertake highly-accurate simulation for bones and teeth in response to mechanical stimulation, coupling their shape and functions, and providing phylogenetic information with respect to biomechanics. This method is prevalent recently; however, with shortcomings in consideration of the complexity of bone mechanical property, and in imitating the true actions of animals. In this project, we try to unite two research teams from the Institute of Vertebrate Paleontology and Paleoanthropology, Chinese academy of Sciences, and from the Department of Civil engineering, Huazhong University of Science and Technology, in order to make the most of the advantage of each group and overcome the above shortcomings. We plan to study the mechanics dominated morphological evolution, including the mandibles of mastodonts and aceratheres, the cranial appendages of ruminants, and the tooth in relation to predation actions of felids. Based on these case studies, we would like to explore an operatable scientific method in uniting FEA and mammal paleontology and to provide evidence with respect to mechanics for mammalian phylogeny more than traditional morphological study.

化石哺乳动物的主要研究对象骨骼和牙齿的形态特征是在自然界各种力学刺激条件下，为实现生物学功能逐渐演化而成。有限元方法从力学适应的角度，结合哺乳动物的形态功能因素进行高精度的模拟，从力学角度提取哺乳动物系统演化的信息，因而成为近年来国际上流行的研究方向。然而，目前国际用于古哺乳动物的有限元研究中，对骨骼复杂的力学性质缺乏全面考量，对动物行为中的力学加载方式设计过于简单，因而结果的准确性尚存疑问；在国内该类研究则更加薄弱。本项目拟结合中科院古脊椎所和华中科大土木系两家专长，力图克服之前研究的局限，计划用有限元方法开展在力学行为支配下象类和犀类下颌形态、偶蹄类犄角形态、猫科牙齿形态及捕猎策略演化等研究，形成将有限元分析应用于大型哺乳动物演化的可操作、可重复的科学方法，从多角度证实力学行为在哺乳动物骨骼和牙齿形态学的塑造中所处于的基础性的地位，为大型哺乳动物的系统演化提供超出形态分析之外的证据。

本项目对化石哺乳动物类群的一些典型的行为进行了有限元力学模拟，得出了一些开拓性的研究成果。有限元模拟证实早期长颈鹿獬豸盘角鹿（Discokeryx xiezhi）具有特殊附加关节面的寰枕关节及颈椎间关节，是完全由高强度头对头碰撞的性别竞争行为所塑造，从而支持了现代长颈鹿颈部极端伸长可能是适应雄性甩动脖子打斗的性别竞争行为产生。该研究成果发表在自然科学综合顶级刊物Science上。同时也用有限元方法模拟了麝牛、羊亚族等现生反刍动物头对头碰撞的性别竞争行为，证明羊族中有发达的额窦，脑颅与面部形成很大的转折角，角心加粗等特征与头部碰撞行为相关，并且，麝牛及化石类群发育有附加寰枕关节在羊亚族缺失，是由于麝牛在头部碰撞中寰枕关节会产生较大的屈曲，而羊亚族在碰撞中不发生屈曲。对肿骨中华大角鹿（Sinomegaceros pachyosteus）、驼鹿、家马、水牛等咬合的有限元模拟对比证实，肿骨鹿十分粗壮的下颌具有取食硬质草类的潜力，支持肿骨鹿在开阔地带营群居生活，并与早期人类的活动相关。通过对各科长颌的象类下颌取食方式的模拟，证明广泛分布于中国北方中中新世的铲齿象（Platybelodon grangeri）下颌特化为进行水平切割纵向生长的植物的有利工具，但不适合其它工作方式；同时也证明铲齿象最早具有用象鼻进行卷握抓取植物的功能，这与铲齿象向开阔的生态空间转移，取食草本植物密切相关。对雪豹和豹取食行为的有限元模拟，证实雪豹的下颌更能够分散犬齿处产生的压力，适合对付反击能力较强的猎物（羊亚科），而豹的下颌在同样的咬合下在犬齿处的应力更大，但吻部较长，适合对付反击能力较弱，但更加灵活的猎物（羚羊和鹿）。