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Pterossauros, os répteis que alçaram o céu do nordeste brasileiro

Pesquisa premiada no I CBCFD investiga com simulação computacional as funções da crista craniana e da mandíbula do pterossauro brasileiro Thalassodromeus sethi

 

O primeiro Congresso Brasileiro de Fluidodinâmica Computacional (CBCFD) premiou como melhor trabalho da edição, uma pesquisa multidisciplinar desenvolvida no Museu Nacional do Rio de Janeiro, que por meio de simulação computacional busca entender a fisiologia de um pterossauro brasileiro para seu voo e alimentação.

Graças à ficção científica, a imagem de um pterossauro sobrevoando os céus da era mesozóica (compreendida entre 250 milhões e 65 milhões de anos atrás) nos é familiar, sendo até figurinha carimbada nas telas do cinema. No entanto, ao contrário do senso comum, esses gigantes répteis alados não são dinossauros, e sim contemporâneos deles, ou seja, tiveram um ancestral comum, mas desenvolveram linhas evolutivas independentes.

Assim explica Alexander Kellner, paleontólogo do Museu Nacional da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), ao pontuar que os dinossauros que viviam em terra firma, incluindo as aves primitivas, são apenas parentes dos pterossauros no grupo de répteis chamado arcossauros.

Para entender melhor as diferenças dessas criaturas tão comuns nas histórias fictícias, seu aluno de iniciação científica em paleozoologia na Universidade Estadual do Rio de Janeiro (UERJ),  Rodrigo Pêgas, explica que a característica comum dos arcossauros é ter uma abertura entre a órbita e a narina, conhecida como fenestra antorbital.

Fenestra antorbital de um dinossauro Massospondylus

(Legenda: Fenestra antorbital de um dinossauro Massospondylus.)
 

Mas Pêgas ressalta que os pterossauros e dinossauros se divergem em características mutuamente exclusivas, por exemplo, “os dinossauros possuem o acetábulo perfurado - o acetábulo é a região da bacia pélvica onde o fêmur se encaixa. Mas nos pterossauros e demais répteis não-dinossauros, essa região não é perfurada. Além disso, os pterossauros se diferenciam dos dinossauros principalmente por apresentarem nos membros anteriores um quarto dedo extremamente alongado que sustenta uma membrana alar, bem como um osso único chamado pteróide que não é encontrado em nenhum outro grupo de animais”. A membrana alar é uma prega de pele que une as patas, cauda, braços e dedos de uma criatura, permitindo o voo, como ocorre com os morcegos.

Mesmo assim, o que poucas pessoas se atentam é que essas criaturas gigantes também viviam no atual solo e céu brasileiros, sendo que na Bacia do Araripe (região entre o Ceará, Pernambuco e Piauí) são encontrados desde a década de 1980 fósseis de mais de 110 milhões de anos bem preservados e que contribuem para aumentar o conhecimento das criaturas e períodos que viviam.

Posição geográfica da Chapada do Araripe, no nordeste brasileiro, onde o fóssil do pterossauro T. sethi foi encontrado

(Legenda: Posição geográfica da Chapada do Araripe, no nordeste brasileiro, onde o fóssil do pterossauro T. sethi foi encontrado. Fonte: KELLNER, A. W. A., 2002, “Membro Romualdo da Formação Santana, Chapada do Araripe, CE”, SIGEP 6, v. Sítios Geológicos e Paleontológicos do Brasil, pp. 121–130.)
 

Apesar de existir no Brasil graves problemas de tráfico de fósseis, prejudicando o desenvolvimento científico do país,  alguns pesquisadores brasileiros conseguem estudar fósseis em três dimensões, às vezes até esqueletos quase completos, para conhecer melhor essas criaturas, caso do crânio do Thalassodromeus sethi, (ou corredor marinho de Seth, deus do caos) presente na pesquisa premiada no I CBCFD.

Fotografia lateral esquerda do crânio do T. sethi utilizado no estudo. Barra de escala: 200mm

(Legenda: Fotografia lateral esquerda do crânio do T. sethi utilizado no estudo. Barra de escala: 200mm. Fonte: KELLNER, A. W. A., CAMPOS, D. A., 2002, “The function of the cranial crest and jaws of a unique pterosaur from the early cretaceous of Brazil”, Science Magazine, v. 297, pp. 389–392)

 

Pterossauro brasileiro no CBCFD

Ricardo Medronho, engenheiro químico da UFRJ e presidente do CBCFD (Congresso Brasilero de Fluidodinâmica Computacional), explica que a pesquisa premiada neste ano foi o “Simulação Computacional da Crista Craniana e da Mandíbula de um Pterossauro Brasileiro” porque mostra o potencial de pesquisas interdisciplinares em fluidodinâmica computacional. “Neste caso, uma parceria entre o Núcleo Interdisciplinar de Dinâmica dos Fluidos (NIDF/UFRJ) e o Museu Nacional/UFRJ, permitiu o desenvolvimento de uma pesquisa sobre como os pterossauros viviam, se alimentava e se locomoviam, unindo engenharia e paleontologia em um único projeto”, explica o presidente.

O engenheiro mecânico pela UFRJ e um dos autores da pesquisa premiada, Felipe dos Reis, explica que o objetivo do estudo foi compreender a biomecânica e métodos alimentares do pterossauro brasileiro Thalassodromeus sethi e assim entender também seu processo evolutivo. “Basicamente a pergunta que tínhamos que responder era: ‘O T. sethi era capaz de voar rasante sobre a água e se alimentar de peixes?’. Não é uma pergunta fácil de ser respondida. A complexidade do tema, a imprevisibilidade e surpresas dos resultados e o próprio fato de ser uma pesquisa multidisciplinar, envolvendo mais de uma instituição, influenciaram o planejamento da pesquisa como um todo.”, expõe Reis.

Com a simulação computacional, foi possível perceber que quando as mandíbulas são imersas na água, elas apresentam coeficientes de arrasto hidrodinâmicos, além de seu bico ser fino, afiado e sem dentes, o que sugere ser um pterossauro skimmer, ou seja, que se alimenta ao inserir a ponta da mandíbula inferior em águas para se alimentar de peixes e crustáceos, como faz hoje a ave Talha-mar (nome científico Rynchops niger).

Ave Talha-mar se alimentando de modo Skimming

(Legenda: Ave Talha-mar se alimentando de modo Skimming. Fonte: Olhares.com/briso)
 

Com a simulação, Reis comemora que foi possível ir além do esperado sobre o conhecimento desse pterossauro brasileiro. Isso porque com diferentes inclinações da crista craniana da criatura (que possui quase o dobro de tamanho da sua cabeça), foi possível gerar torques e forças laterais com altos valores, o que sugere que essa estrutura tinha a função de leme direcional ou de freio aéreo, influenciador na aerodinâmica de seu voo, apesar de ainda ser um debate em aberto.    

Para entender um pouco mais sobre a pesquisa premiada durante o I CBCFD, conversamos o engenheiro mecânico Felipe dos Reis, um dos autores do trabalho (10.17648/cbcfd-44542). Confira:

 

O que esse pterossauro brasileiro se diferencia dos outros fósseis encontrados?

Embora já se conheçam mais de 30 espécies de pterossauros brasileiros, o Thalassodromeus sethi é único e peculiar sob diversos aspectos. Ele apresenta um bico afiado em formato de lâmina, uma grande crista óssea craniana (que é a maior que se tem registro), uma abertura de função misteriosa na base dessa crista, e um formato em "V" no seu ápice. É interessante também ressaltar que este pterossauro apresenta um bico sem dentes, assim como ocorre em outras espécies - mas não em todas.

Fóssil do <em>Thalassodromeus sethi</em> ao lado de uma ilustração de Maurílio Oliveira de como a criatura aparentava ser em vida

(Legenda: Fóssil do Thalassodromeus sethi ao lado de uma ilustração de Maurílio Oliveira de como a criatura aparentava ser em vida - Imagem cedida pelo NIDF - COPPE/UFRJ)
 

O objetivo da sua pesquisa foi entender a biomecânica e alimentação desse pterossauro brasileiro, mas como se consolidou o projeto?

A pesquisa surgiu de uma colaboração espontânea, então no início não contamos com financiamento além de duas bolsas de iniciação científica (uma para mim, aluno da engenharia, e outra para o Rodrigo Pêgas, aluno do Museu Nacional). No entanto, conseguimos utilizar toda a infraestrutura do Núcleo Interdisciplinar de Dinâmica dos Fluidos (NIDF - COPPE / UFRJ) e de alguns outros laboratórios para realizá-la. Essa foi a sorte desse projeto, ser realizado em um dos laboratórios mais completos da COPPE / UFRJ; com uma equipe forte, competente e engajada.

 

Mas porque vocês optaram em fazer a pesquisa com base na Fluidodinâmica Computacional?

Logo no início, sabíamos que realizar testes experimentais partindo 'do zero' seria inviável. Só tínhamos fósseis e ossos fornecidos pelo Museu e precisaríamos criar réplicas físicas dos originais, planejar o procedimento experimental, comprar novos sensores, calibrar equipamentos, errar e acertar nos ensaios, enfim... Tudo que seria caro, demandaria muito tempo e traria pouca flexibilidade e ganhos de escala para realizarmos ajustes e testar hipóteses rapidamente. A solução pensada desde o início seria realizar simulações em CFD (Fluidodinâmica Computacional) com diversos modelos virtuais e configurações de ângulos, velocidade e tipos de fluido (ar e água). Esse método traz alguns resultados que poderiam ser comparados com experimentos realizados por outros autores e até mesmo servir de base para nossos próprios experimentos no futuro.

 

E como foi o processo de pesquisa da equipe?

Então, esse trabalho teve basicamente 3 etapas: Primeiro digitalizamos os materiais fósseis, peças do pterossauro Thalassodromeus sethi concedidas pelo Museu. Com scanners portáteis e um equipamento de tomografia computadorizada, também digitalizamos o crânio da ave Talha-mar, usada como comparação de alimentação. Depois, simulamos virtualmente as mandíbulas do pterossauro e da ave em diversos ângulos e velocidades para se estimar a força e coeficiente de arrasto atuando sobre o bico. Esses dados foram utilizados para determinar o gasto energético para realizar a atividade de skimming. Já a crista craniana também foi simulada em diversas inclinações para se obter a força lateral e o coeficiente de arrasto, servindo de pontapé para a formulação de hipóteses acerca de seu funcionamento. A última etapa foi o cálculo de potência de voo e estimativa de massa, em que desenvolvemos um algoritmo matemático baseado em parâmetros puramente aerodinâmicos para estimar a massa de aves e pterossauros. Também foi possível traçar a curva de potência de voo com alguns parâmetros dimensionais e energéticos que nos ajudaram a determinar se o pterossauro em questão possuía energia suficiente para voar e para se alimentar via skimming.

Estrutura mandibular de exemplar da ave Talha-mar utilizada no estudo

(Legenda: Estrutura mandibular de exemplar da ave Talha-mar utilizada no estudo.- Imagem cedida pelo NIDF - COPPE/UFRJ)
 

Você pode explicar melhor como a equipe chegou à hipótese de que esse pterossauro brasileiro se alimentava de peixes e crustáceos com voos rasantes?

As simulações que fizemos fornecem embasamento do ponto de vista energético para a hipótese de que o Thalassodromeus sethi se alimentava através de skimming. Isso porque com as forças de arrasto que a água provoca sobre a mandíbula simulada, percebemos que essa criatura possuía o balanço energético necessário para tal tipo de voo. Esse hábito alimentar já havia sido previamente sugerido com base em características do bico do animal, em que a ponta da mandíbula é fina e afiada, com um formato de lâmina bastante hidrodinâmico. O interessante é que essa morfologia não é vista em nenhum outro pterossauro, sendo porém encontrada na ave moderna Talha-mar, conhecida por ser a única a realizar skimming também.

Montagem de um experimento no Canal d'água para avaliar qualitativamente a influência da inclinação da crista craniana no escoamentoMontagem de um experimento no Canal d'água para avaliar qualitativamente a influência da inclinação da crista craniana no escoamento

(Legenda: Montagem de um experimento no Canal d'água para avaliar qualitativamente a influência da inclinação da crista craniana no escoamento. - Imagem cedida pelo NIDF - COPPE/UFRJ)

 

E por que as simulações sugerem que a crista craniana teria função de leme direcional?

Porque vimos que as forças atuantes na crista não eram nada modestas. Com uma pequena inclinação, a crista fica suscetível a torques e forças de magnitudes bem elevadas. Dependendo da inclinação, a força lateral pode atingir valores de até 40% do peso total do animal, o que poderia indicar uma função biomecânica de leme direcional que o auxilia no deslocamento em outras direções durante o voo. No entanto, os esforços presentes no pescoço durante a rotação da cabeça também deveriam ser levados em conta para essa interpretação, o que não foi apresentado nesse trabalho. Por isso que após a publicação da pesquisa, foi sugerido também que essa influência aerodinâmica da crista teria mais uma função de freio aéreo do que leme. Cálculos preliminares sugerem que o pterossauro economizaria até 30% de energia ao realizar curvas em voo dadas as proporções da crista. De qualquer forma, isso tudo configura apenas sugestões que precisam ser investigadas mais à fundo com modelos digitais que reconstruam o corpo da criatura e experimentos em túneis de vento. Qualquer interpretação além disso não passam de hipóteses ainda.

 

E no projeto interdisciplinar, como foi sua experiência e a relação do grupo?

A experiência foi sensacional! Participar de um projeto multidisciplinar me fez sair totalmente da zona de conforto, e eu gosto muito disso. Além de temas como biologia de paleontologia, também aprendi muito sobre assuntos da minha própria formação, como engenheiro mecânico, e pude aprender a utilizar novas ferramentas de projeto de engenharia para a realização desta pesquisa. Em um projeto deste tipo, a colaboração é a palavra-chave, e eu acredito que todo o grupo compartilhava desse sentimento em todas as fases da pesquisa. Eram inúmeras ideias, sugestões e indagações. Até mesmo quem não trabalhava diretamente no projeto queria conhecer melhor o que estávamos fazendo e eram incentivados a dar sugestões do que poderia ser estudado ou testado. Como esse projeto é bem diferente do que estamos acostumado a ver na engenharia, essa mentalidade foi fundamental para deixarmos de lado alguns preconceitos e nos ajudou a pensar “fora da caixa” para encontrar soluções técnicas e criativas aos desafios que iam aparecendo.

 

Muito legal! Voltando um pouco para sua experiência no CBCFD, onde o trabalho foi premiado, o você achou do evento?

Tive uma experiência bastante positiva no CBCFD. O evento foi muito bem organizado, desde o site do congresso até os três dias que passamos em Campina Grande, na Paraíba. A programação técnica também estava incrível, com diversidade de temas expostos durante o congresso e riqueza das interações e discussões entre os participantes.

 

Com esse sucesso relatado, o congresso de pioneiro pode se tornar essencial para os pesquisadores e profissionais do setor?

Sim, com o avanço dos recursos computacionais as simulações em CFD (fluidodinâmica computacional) se tornaram muito comuns em projetos de diversas áreas da engenharia. Apesar de não substituir as práticas experimentais, o CFD é menos custoso e permite realizar testes em diversas configurações com realismo e confiabilidade. No entanto, os profissionais que trabalham com essa ferramenta precisam ser muito bem preparados, já que é necessário escolher (ou até mesmo programar) os modelos, leis e condições de contorno que regem o sistema físico a ser simulado. Além disso, os especialistas em CFD precisam sempre ter senso crítico e questionar os resultados fornecidos pelo computador. Por isso que o surgimento do CBCFD é mais um passo para a formação de profissionais capacitados em simulações.

Reconstrução digital dos materiais cedidos pelo Museu Nacional: A - Rinchos niger; B - Banguela oberlii; C - T. sethi. - Imagens cedida pelo NIDF - COPPE/UFRJ

(Legenda:Reconstrução digital dos materiais cedidos pelo Museu Nacional: A - Rinchos niger; B - Banguela oberlii; C - T. sethi. - Imagens cedida pelo NIDF - COPPE/UFRJ)

 

E para finalizar, todo o sistema do congresso (como site, inscrição e submissão de trabalhos) foi realizado pelo Galoá. O que você achou do sistema?

O Galoá foi um dos melhores sistemas que utilizei para gerenciamento de inscrições em eventos. A plataforma é intuitiva e sua organização permite que o usuário visualize o status de sua inscrição, os trabalhos submetidos e certificados de forma clara, sem complicações.

 

Para as próximas edições do Congresso Brasileiro em Fluidodinâmica Computacional, o presidente Ricardo Medronho já adiantou que continuarão as premiações para incentivar o debate das melhores pesquisas da área.

Ficou interessado pelo tema ou pelo congresso? Leia mais aqui:

Já estão disponíveis os Anais do I Congresso Brasileiro de Fluidodinâmica Computacional

Chopp comCiência: Dinossauros brasileiros na ficção

Vídeo: Pterossauros: Alimentação e locomoção

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