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Inteligência Artificial na Paleontologia

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Os modelos de Inteligência Artificial


Nos últimos anos, a inteligência artificial tem desempenhado um papel cada vez mais significativo na ciência, impulsionando avanços notáveis na forma em que os cientistas estudam e interpretam uma grande quantidade de dados. A análise de informações tem sido revolucionada pela aplicação de algoritmos, técnicas de aprendizado da máquina (machine learning) e aprendizagem profunda (deep learning), permitindo a extração de informações valiosas a partir de grandes conjuntos de dados, acelerando a identificação de padrões e relações complexas nos mesmos.


Um modelo computacional desenvolvido por técnicas de inteligência artificial exige, inicialmente, um conjunto de dados de treinamento, os quais são, em princípio, variáveis numéricas. Através de um algoritmo de aprendizagem, é realizado o ajuste da saída do modelo, e com isso, pode-se predizer uma entrada nova com base no comportamento das variáveis e dos dados utilizados para treinamento. Em algoritmos mais sofisticados e aprofundados, também é desenvolvido um processo de “reforço e reaprendizagem”, com otimização dos parâmetros, de modo a elevar a acurácia do modelo. Estes modelos aperfeiçoados podem ser úteis na predição, classificação, identificação, e segmentação de imagens, por exemplo. Nestas situações, os dados não-numéricos são previamente convertidos em parâmetros numéricos. Na segmentação de imagens tal conversão ocorre para cada pixel ou conjunto de pixels da figura, reduzindo-a a uma matriz numérica.

Diante do grande desenvolvimento destas técnicas, tem-se empregado, de forma notável, modelos computacionais nas mais diversas esferas científicas, e na paleontologia não foi diferente. Em maio de 2024, Yu e colaboradores fizeram uma busca por artigos científicos de modelos de inteligência artificial no estudo de fósseis, e encontraram um total de 79 trabalhos publicados até a data analisada! A análise dos autores demonstrou a popularização da utilização das técnicas de inteligência artificial na paleontologia, com uma ampla gama de aplicações, e ao mesmo tempo, evidenciou desafios a serem superados. Vamos conhecer os resultados desta pesquisa?

A inteligência artificial no estudo dos fósseis


Embora análises auxiliadas por máquina já tivessem sido propostas anteriormente, a inteligência artificial foi somente apresentada como uma ideia científica em um workshop realizado em 1956, em Dartmouth College, nos Estados Unidos. Desde então, com o desenvolvimento de algoritmos cada vez mais complexos, aliado ao aumento da capacidade computacional, as técnicas de aprendizagem da máquina e aprendizagem profunda tornaram-se cada vez mais apreciadas. Não obstante, a sua utilização no campo da paleontologia se deu tardiamente, somente na década de 80 (Healy-Williams, 1983; 1984). Os trabalhos pioneiros consistiram em, a partir de fotomicrografias, extrair os contornos e caracteres diagnósticos de fósseis de foraminíferos – microorganismos marinhos unicelulares, cujo comprimento máximo geralmente não ultrapassa 1 milímetro – do Quaternário. A técnica empregada, a análise de Fourier, consiste em extrair componentes das imagens através de equações, o que a torna bastante útil no reconhecimento de padrões e objetos.

De fato, os foraminíferos têm sido os principais organismos fósseis a serem estudados através da inteligência artificial, chegando a um terço do total de trabalhos publicados nas últimas décadas (Fig. 1). Quando somados a trabalhos que envolvem outros microfósseis – grãos de pólen, esporos de algas, conodontes e radiolários –, o volume de publicações científicas chega à marca dos dois terços. Essa diferença marcante em relação aos macrofósseis (fósseis de maior tamanho) não se deve somente à aplicabilidade econômica dos microfósseis, mas reflete também a facilidade da aplicação das técnicas existentes nesses tipos de fósseis. Ao passo que uma fotografia de um diminuto foraminífero retém muitas informações morfológicas deste organismo, ao se estudar o esqueleto de um dinossauro, por exemplo, podem ser necessárias diversas fotografias em diferentes ângulos. Além disso, a preservação das características anatômicas de animais e vegetais frequentemente é acompanhada por algum nível de deformação, dada pelo processo de fossilização. Seja pela formação de incrustações, fraturas, ou compressão – o que prejudica a performance dos algoritmos. A quantidade de dados disponíveis é outro fator limitante, macrofósseis podem ser mais raros em relação aos microfósseis, os quais podem possuir milhares de amostras correspondentes. Desta forma, os modelos que utilizam microfósseis costumam ser melhor treinados e mais acurados.

Figura 1. A inteligência artificial na paleontologia. Dados de Yu et al. (2024) baseados em 79 trabalhos publicados. MA = marcos anatômicos (landmarks); CNN = redes neurais convolucionais; ML = aprendizagem da máquina (machine learning); KBS = sistemas baseados em conhecimento (knowledge-based systems); FA = Análise de Fourier; GAN = redes adversárias generativas (generative adversarial networks).


O avanço nos modelos computacionais no estudo de fósseis tem sido perceptível. Eles tem sido principalmente aplicados em fotografias, com o objetivo de classificação dos fósseis. A técnica mais utilizada nas últimas décadas corresponde ao algoritmo de redes neurais, o que é identificado tanto na paleontologia, quanto em outras áreas da Ciência. Trata-se de uma técnica de aprendizagem em que se introduz uma matriz de equações aos dados numéricos, a fim de minimizar iterativamente a função perda, e alcançar seu valor ótimo durante o treinamento. A rede neural é estruturada em camadas, as quais permitem modelar, de forma mais satisfatória, relações não-lineares entre os dados, determinando a profundidade e a complexidade do modelo proposto. Desta forma, o algoritmo mimetiza a estrutura do sistema nervoso, em que a informação é passada por sequências de neurônios (Fig. 2).

Figura 2. Modelo de funcionamento do algoritmo de redes neurais artificiais. A partir de uma entrada numérica, a informação é passada pelos neurônios (círculos) através de equações (conexões), até produzirem um resultado final (saída).

Um notável exemplo de aplicação e desenvolvimento da técnica é de um estudo preliminar realizado em 1996, com fins de classificação de algas calcárias fósseis (cocolitóforos). Nesse estudo, Dollfus e Beaufort (1996) utilizaram a técnica da transformada de Fourier combinada com as redes neurais artificiais em duas camadas, o que resultou em um modelo com taxa de acerto de somente 49%. Entretanto, no trabalho sucessor publicado três anos depois, o modelo de redes neurais artificiais foi aprofundado para 5 camadas, obtendo, assim, uma acurácia de 86%, a uma taxa de 40 classificações por segundo (Dollfus e Beaufort, 1999). Outro exemplo é o trabalho de Lallensack e colaboradores (2022), em que os autores visaram distinguir imagens de pegadas de dinossauros terópodes das pegadas dos ornitísquios, por meio de rede neurais com múltiplas camadas de neurônios, alcançando uma taxa de acertos também de 86%.


Apesar do avanço na aprendizagem profunda, as técnicas tradicionais de aprendizagem da máquina ainda são bastante utilizadas. Entre os vários algoritmos de aprendizagem existentes, se destacam três na paleontologia: máquina de vetores de suporte, floresta aleatória, e k-vizinhos mais próximos. O primeiro método de treinamento, a máquina de vetores de suporte, consiste em encontrar a divisão ótima do espaço, obtendo um hiperplano que separe dados distintos o máximo possível (Fig. 3A). A eficácia deste algoritmo foi certificada por Xu e colaboradores (2020), num estudo que visava, através de imagens, determinar de forma automatizada se existiam microfósseis ou não, alcançando acurácia de 85%. Por outro lado, ao repetir o experimento com a técnica de redes neurais, supostamente superior, o resultado foi insatisfatório, chegando a 0% de acerto para certas classes, em parte devido ao conjunto limitado de dados. Já o algoritmo da floresta aleatória cria múltiplas árvores de decisão, construídas através de subconjuntos de dados definidos aleatoriamente. A classificação ocorre pelo voto da maioria das árvores em uma determinada classe (Fig. 3B). No trabalho de Wills e colaboradores (2023), o modelo de floresta aleatória foi utilizado para determinar, através da morfologia, se dentes de terópodes fósseis eram ou não de maniraptores (grupo de celurossauros). Estimou-se uma eficácia de 86% para o modelo de floresta aleatória, o resultado mais satisfatório dentre os testados pelos autores. Por fim, a técnica dos k-vizinhos mais próximos (Fig. 3C) estima a classe de novas amostras baseada na classificação de uma quantidade k de dados mais próximos utilizados para treinamento (por exemplo, os k espécimes mais semelhantes entre si). Cita-se o trabalho de Conceição e colaboradores (2023), realizado por pesquisadores brasileiros, em que 42 gêneros de gimnospermas paleozoicas foram utilizados para treinar um modelo de classificação de plantas fósseis em ordens taxonômicas pré-conhecidas, por meio de variáveis da anatomia dos troncos, através desta técnica na versão de 1-vizinho mais próximo.

Figura 3. Os três métodos de aprendizagem da máquina mais utilizados em paleontologia. O ponto de interrogação indica uma entrada nova ao modelo treinado. A) máquina de vetores de suporte, em que as conchas são separadas dos ossos por um hiperplano (em vermelho), determinando a entrada nova como uma concha; B) floresta aleatória, em que a maioria das árvores elege a categoria osso para a entrada; C) k-vizinhos mais próximos, na versão 6-vizinhos mais próximos, em que se elege a classe concha para a entrada nova.

Perspectivas para o futuro


Sem dúvida, a inteligência artificial ainda possui um grande campo a ser explorado dentro da paleontologia. A automatização de métodos dispendiosos, tal como a classificação de um grande número de microfósseis, vem a atenuar a dificuldade dessa tarefa. Dessa maneira, os paleontólogos poderiam se concentrar em trabalhos com viés mais intelectual em detrimento de tarefas mecanizadas. Além disso, embora a definição dos algoritmos e seus hiperparâmetros consistam em uma escolha do pesquisador, a utilização da máquina vem a reduzir o nível de subjetividade empregada nos métodos tradicionais de análise.


Há, no entanto, grandes desafios a serem superados. A tridimensionalidade dos macrofósseis exige um poderio computacional maior e a utilização de técnicas mais complexas, sugerindo que a paleontologia abrace o espaço da Big Data, o que preceitua volume, variedade, velocidade, e veracidade dos dados. Entretanto, o volume de dados e sua velocidade de coleta costumam ser bastante limitados quando se trata de fósseis. Além disso, o registro paleontológico é raro e depende do grau de preservação, o que pode gerar falta de dados ou vieses no treinamento. Essa dificuldade pode nunca ser superada para alguns grupos fósseis ou tipos de pesquisas.


Em relação aos modelos, a expectativa é o aumento na profundidade das aprendizagens, com algoritmos multicamada. Técnicas mais sofisticadas, como as redes adversárias generativas, ainda pouco aplicadas pela comunidade paleontológica, devem se sobressair à medida que a inteligência artificial se torna cada vez mais comum. Resume-se em um modelo de redes neurais dupla: um gerador e um discriminador, os quais competem entre si para produzir saídas mais próximas possíveis. Com novas técnicas, as partes incompletas de esqueletos, por exemplo, poderão ser estipuladas automaticamente, auxiliando nas reconstruções filogenéticas.


No futuro, a inteligência artificial deverá envolver a descrição comparativa de fósseis, classificação, processamento de dados de imagens e codificação de caracteres morfológicos, auxiliando na condução de estudos em larga escala baseados em dados. Essa união entre a inteligência artificial e a paleontologia abrirá novas perspectivas de pesquisa e descoberta, oferecendo compreensões inovadoras sobre a evolução da vida na Terra e a história dos seres vivos que habitaram nosso planeta.

Referências

Conceição, D.M., Esperança Júnior, M.G.F., Iannuzzi, R., Recamonde-Mendoza, M., Malta, G.B.B.O. 2023. PaleoWood: a machine learning approach for determining the affinity of Paleozoic gymnosperm woods. Journal of South American Earth Sciences, 121, 104125.
Dollfus, D., Beaufort, L. 1996. Automatic pattern recognition of calcareous nanoplankton. Proceedings of the Conference on Neural Networks and their Applications (NEURAP 96), pp. 306–311.
Dollfus, D., Beaufort, L. 1999. Fat neural network for recognition of position-normalised objects. Neural Networks, 12, pp. 553–560.
Healy-Williams, N. 1983. Fourier shape analysis of Globorotalia truncatulinoides from late Quaternary sediments in the southern Indian Ocean. Marine Micropaleontology, 8, pp. 1–15.
Healy-Williams, N. 1984. Quantitative image analysis: Application to planktonic foraminiferal paleoecology and evolution. Geobios, 17, pp. 425–432.
Lallensack, J.N., Romilio, A., Falkingham, P.L., 2022. A machine learning approach for the discrimination of theropod and ornithischian dinosaur tracks. Journal of the Royal Society Interface, 19(196), 20220588.
Wills, S. Underwood, C.J., Barrett, PM. 2023. Machine learning confirms new records of maniraptoran theropods in Middle Jurassic UK microvertebrate faunas. Papers in Palaeontology, 9, e1487.
Xu, Y.X., Dai, Z., Wang, J., Li, Y., Wang, H. 2020. Automatic recognition of Palaeobios images under microscope based on machine learning. IEEE Access, 8, pp. 172972–172981.
Yu, C., Qin, F., Watanabe, A., Yao, W., Li, Y., Qin, Z., Liu, Y., Wang, H., Jiangzuo, Q., Hsiang, A.Y. and Ma, C. 2024. Artificial intelligence in paleontology. Earth-Science Reviews, 104765.

Aves, Ceratosauria, Coelurosauria, Cretáceo, Dinossauros, Dromeosauridae, Era Mesozoica, Evolução, Jurássico, Ornithomimosauria, Theropoda, Vertebrados

Evolução da respiração dos dinossauros na linhagem das Aves

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Os terópodes são um grupo de dinossauros que surgiu há mais de 200 milhões de anos e habitam todos os continentes ainda hoje. Eles são conhecidos por suas adaptações que os tornaram os mais rápidos e aerodinâmicos de todos os dinossauros. Uma das principais características que contribuíram pra sua agilidade e resistência foi o sistema de sacos aéreos, que permitiu uma respiração mais eficiente e a capacidade de invadir os ossos do esqueleto com câmaras pneumáticas. Esse sistema é fundamental para entender a evolução dos terópodes e sua adaptação pra estes diferentes ambientes.

Hoje vamos falar sobre nosso artigo recente que desvendou um mistério sobre a evolução dos dinossauros terópodes. Este artigo, publicado na revista Journal of Anatomy, investiga a evolução do sistema de sacos aéreos em terópodes, esse grupo de dinossauros que inclui os mais longevos e os únicos que sobreviveram até hoje, na forma das aves.

Recentemente, pesquisadores descobriram que o sistema de sacos aéreos evoluiu pelo menos três vezes de forma independente nos avemetatarsalianos, um grupo que inclui pterossauros, saurópodes e terópodes. Enquanto os saurópodes apresentam uma arquitetura pneumatizada complexa em suas vértebras, os terópodes ainda são menos compreendidos nesse aspecto.

Nesse estudo, nós analisamos o esqueleto axial de dois dinossauros terópodes: Majungasaurus, um ceratosauriano, e Rahonavis, um paraviano. Ambos foram encontrados na Formação Maevarano, no norte da Madagascar, durante expedições realizadas nos últimos 30 anos. Nossa equipe utilizou a tomografia computadorizada desses fósseis pra detectar padrões de pneumatização nos ossos e comparar com outros grupos de terópodes.

Figura apresentando o ceratossauriano Majungasaurus (esquerda) e o paraviano Rahonavis, mostrando os elementos ósseos tomografados. Fonte: Aureliano et al. (2024).

O estudo revelou que o Majungasaurus, um dinossauro cuja linhagem se encontra mais próxima à origem dos terópodes, apresenta algumas vértebras com espinhos neurais e centros sem pneumaticidade. Isso sugere que a pneumatização nos terópodes pode ter evoluído de forma diferente da observada nos saurópodes. Por outro lado, Rahonavis, um paraviano próximo aos raptores e das aves, apresenta uma pneumatização mais complexa, o que pode ter proporcionado vantagens em voos e escaladas.

Figura acima apresenta a tomografia computadorizada de vértebras cervicais de diversos terópodes. Note o aumento do volume e da complexidade da pneumaticidade desde os Ceratosauria até as Aves. Fonte: Aureliano et al. (2024).

Comparando com outros dinossauros terópodes representantes dos grandes grupos, é possível observar um aumento na pneumaticidade e na complexidade destas estruturas desde o Majungasaurus até as cegonhas de hoje em dia.

A compreensão da evolução do sistema de sacos aéreos nos terópodes tem implicações para a biologia evolutiva e para a paleontologia. Ela pode ajudar a elucidar como os dinossauros se adaptaram a diferentes ambientes e como essas adaptações influenciaram na sua sobrevivência. Além disso, futuros estudos sobre os primeiros terópodes vão poder fornecer mais informações sobre a evolução deste sistema.

Essa pesquisa foi financiada pela Fundação Norte-Rio-Grandense de Pesquisa e Cultura, e pela Fundação Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico.

Vídeo do nosso canal sobre esta pesquisa:

Bibliografia:

Aureliano, T., Almeida, W., Rasaona, M., & Ghilardi, A. M. 2024. The evolution of the air sac system in theropod dinosaurs: Evidence from the Upper Cretaceous of Madagascar. Journal of Anatomy. Link: https://doi.org/10.1111/joa.14113

Bacia do Araripe, Cretáceo, Dinossauros, Era Mesozoica, Evolução, Invertebrados, Jurássico, Sem categoria

O que os olhos nas asas de um inseto fóssil podem nos dizer?

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Por Matheus P. dos Santos da Rocha & Cledston Matheus A. Macário

Quando falamos em Paleontologia, muitos a resumem como uma ciência meramente de descrição de aspectos morfológicos, como o simples trabalho de encontrar um osso, descreve-lo e, por sorte, dar nome a uma nova espécie. Porém, a Paleontologia vai muito além disso. Por meio dela, podemos especular sobre diversos aspectos da vida no passado. Até mesmo alguns cujas evidências, muitas vezes, são escassas no registro fossilífero. Um exemplo disso, seria encontrar uma resposta para a pergunta: como eram os olhos dos dinossauros não-avianos?

Como toda ciência, a paleontologia trabalha, inicialmente, com hipóteses, e essas, podem nos levar para linhas de raciocínio beeeem inusitadas, uma hora podemos estar debatendo sobre buracos negros e a extinção dos dinossauros e isso, mais à frente, pode terminar numa deliciosa (ou não) receita de macarrão com biscoito. A história de hoje começa com uma linhas de raciocínio inusitadas: ela parte de um grupo de insetos fósseis, os Kalligrammatidae…

O que são os Kalligrammatidae?

Chrysoperla carnea – Foto de Julia Stoess

Você já viu em algum jardim por aí pequenas bolinhas sustentadas por um fio bem fino, presas nas folhas das plantas? Se sim, com quase toda certeza você viu ovos de bicho-lixeiro. Pertencentes a uma ordem de insetos chamada Neuroptera, esses inofensivos (para os humanos) insetos são predadores vorazes de ovos de aranhas e outros invertebrados. Essa ordem inclui desde a formiga-leão, até coisas estranhas como os mantispídeos (que parecem uma mistura bizarra entre um marimbondo e um louva-a-deus).

Apesar de não serem um grupo muito comum nos dias de hoje, a representação fóssil deles é abundante. No Brasil, dados de um trabalho de revisão de 2018, dão conta que das 379 espécies de insetos descritos para a Formação Crato, da Bacia do Araripe, 76 são neurópteros, ou seja, 20% da diversidade de insetos da formação está em uma única ordem, que atualmente representa 0,6% das espécies de insetos viventes. 

No meio de toda essa diversidade, os fósseis mais enigmáticos de Neuroptera são os da família Kalligrammatidae. O primeiro de Kalligrammatidae foi descrito por Johannes Walther, em 1904, com base num material quase completo, encontrado no calcário jurássico de Solnhofen (Alemanha) – aquele mesmo do Archaeopteryx. Desde então, diversas espécies de Kalligrammatidae foram encontradas em várias localidades, com destaque para os achados na China e nos âmbares birmaneses, ao norte de Mianmar. 

Diversidade dos kalligrammatidae. a. & b. da Formação Crato (Brasil); c., d., e., f., g., h. & p. das Formações Jiulongshan ou Haifanggou (China); i., j., k., l., m. & n. da Formação Yixian (China); o. da Formação Karabastau (Cazaquistão).” – Imagem original por Julian Kiely (Editado).

Em 1997, o lendário paleontólogo Rafael G. Martins-Neto, descreveu, pela primeira vez, um Kalligrammatidae na Formação Crato, batizado de Makarkinia adamsi. De lá pra cá, outros trabalhos confirmaram a presença dessa família no Nordeste Brasileiro e, inclusive, descreveram novas espécies, sendo este, até hoje, o único lugar fora da Europa e Ásia a ter esses registros.

É uma sorte que esses animais ocorram em vários afloramentos do tipo lagerstätten (sítios com preservação excepcional) pelo mundo afora. A boa preservação dos fósseis permitiu notar rapidamente a semelhança dos kalligrammatídeos fósseis com as atuais borboletas e mariposas. Essa comparação não fica só por conta do formato, padrões de coloração e desenhos das asas, mas alguns espécimes bem preservados, principalmente em âmbar, mostram também a presença de uma “boca” modificada em um fino e comprido tubo chamado de probóscide, característica marcante das mariposas e borboletas (ambas pertencentes à ordem Lepidoptera). Mas isso aconteceu nos kalligrammatídeos num momento do tempo geológico em que as borboletas não existiam e as mariposas não eram tão abundantes e diversificadas como são hoje.

Fora do Brasil, alguns Kalligrammatidae chegam a ser apelidados de “giant lacewings” (crisopídeos gigantes) e isso chegou ao extremo em algumas espécies fósseis. Comparativamente, algumas espécies fósseis são enormes em relação aos seus irmãos ainda viventes. Estima-se que as espécies encontradas no Araripe, por exemplo, alcançavam entre 24 a 32 centímetros de envergadura! 

A história dos “olhos” nas asas

Insetos grandes e chamativos podem virar comida facilmente, por isso, precisam ter alguma forma de se proteger da predação. Os kalligrammatídeos que viveram entre o Eojurássico ao Neocretáceo estavam dividindo espaço com lagartos, dinossauros avianos e não-avianos, pterossauros, entre outros predadores . Logo, teria que haver alguma forma deles não sucumbirem a seus colegas de habitat!

As mariposas e borboletas de hoje em dia têm algumas estratégias para evitar a predação. Desde projeções nas asas para desviar a atenção do predador, como as mariposas do gênero Actias, até mimetizar (imitar) folhas secas, tal qual Zaretis itys faz. Outra forma é ter “olhos”, ou melhor, ocelos em suas asas. Os ocelos são desenhos circulares que aparecem em diversos animais, especialmente nos lepidópteros. Esses círculos podem aparecer com 2 estratégias diferentes de uso:

Mycalesis patnia – Foto por L. Shyamal
  • A primeira é ter eles próximos às margens da asa, fazendo com que a atenção de um provável predador seja focada na ponta da asa e não no centro do corpo do organismo.
  • A outra é simplesmente aterrorizar! As mariposas da família Saturniidae e as borboletas-olho-de-coruja do gênero Caligo, por exemplo, fazem isso muito bem. Elas têm ocelos enormes no centro das asas, que imitam – algumas vezes de forma assustadora – os olhos de uma coruja, afastando assim qualquer predador que ouse atacá-las.
Caligo beltrao – Foto por Quartl

E é nesse ponto que queríamos chegar. Justamente essa segunda estratégia é atribuída a várias espécies fósseis de kalligramatídeos. Desde o primeiro espécime descrito, os ocelos gigantes estão presentes nas asas, e há trabalhos que descrevem e comparam os diversos formatos encontrados.

Makarkinia irmae – Imagem de Machado et al. (2021).

O que isso tem a ver com dinossauros?

Agora, chegou a hora que, ou vocês sairão desse blog nos chamando de loucos, ou terão o famoso “Mind Blow”. Vamos ao ponto principal: você já parou para pensar sobre o formato dos olhos dos dinossauros não-avianos? Essa é uma discussão complicada, pois o número de olhos de dinossauro preservados no registro fossilífero é: zero! Mas é uma curiosidade legítima querer saber essa informação, tanto que pode ser encontrado por aí, em fóruns pela internet, pessoas debatendo sobre essa questão.

Como esse tipo de material fóssil para dinossauros é inexistente, parte-se para a comparação com animais recentes, tanto seus parentes mais próximos ainda vivos, quanto possíveis análogos ecológicos. Mas existe ainda outra linha de raciocínio para se debater: não olhar para os dinossauros em si, mas para seus colegas de habitat e, no nosso caso especifico, os kalligramatídeos da Formação Crato.

A reação dos leitores daqui a alguns instantes, pelo menos, na expectativa dos autores…

Como já foi mencionado anteriormente, os “Giant Lacewings” poderiam ter se utilizado da segunda estratégia de uso dos ocelos: para assustar prováveis predadores, imitando os olhos de animais com os quais conviveram. Aí está o “pulo do gato”. Para um predador se assustar com os olhos desenhados nas asas das borboletas-olho-de-coruja é preciso que tenha um animal no mesmo habitat, que vá servir de gatilho (o “modelo” dos ocelos de Caligo, uma coruja, por exemplo: um predador assustador, que assuste o predador da Caligo). Mas há 120 milhões de anos não existiam corujas no Ceará, então…quem eram os modelos dos Kalligrammatidae do Crato?

Pantano do Crato – Arte de Olmagon.

Existem dois principais suspeitos: pterossauros e dinossauros, mas vamos por partes. Pterossauros na Bacia do Araripe, segundo Mendes et al. (2020), eram majoritariamente piscívoros (comedores de peixes), com algumas exceções como Lacusovagus magnificens, que provavelmente vagava pelos pântanos da região para caçar anfíbios e outras pequenas presas. O trabalho de Mendes, inclusive, coloca os pterossauros como animais no topo da teia trófica da região na época. 

“Teia trófica da fauna Cretácea do Araripe” – Mendel et al. (2020)

Mas se os pterossauros cearenses comiam peixes, majoritariamente, os possíveis predadores dos kalligramatídeos (outros insetos, anfíbios, pássaros, pequenos dinossauros, etc.) não estavam no cardápio deles, a priori. Por esse fator, seria compreensível a exclusão desses animais como possíveis modelos para os ocelos.

Escultura do Santanaraptor placidus do Museu Plácido Cidade Nuvens, de Santana do Cariri, CE.

Já os dinossauros, por outro lado, são os candidatos perfeitos para esse quebra-cabeças ecológico. Animais como Aratasaurus museunacionali, Mirischia asymetrica (que, assim como “Ubirajara“, foi traficado para Alemanha #MirischiaBelongtoBR) e Santanaraptor placidus, ocupavam o nicho de predadores de médio a pequeno porte da região do Cariri. Como apontado por Julian Kiely, em seu artigo para o blog “Paleoflora”,  a forma da asa dianteira na maioria das espécies de kalligramatídeos, e o grande tamanho dessas asas,  correspondiam, aproximadamente, ao tamanho e a forma das cabeças de muitos pequenos dinossauros predadores que conviviam com esses insetos (como as espécies mencionadas acima). Desta forma, poderíamos inferir que as pupilas dos dinossauros de médio a pequeno porte do Jurássico Superior e do Cretáceo Inferior, como os maniraptores (pelo menos), deveriam ser arredondadas, já que os ocelos de todos os kalligramatídeos conhecidos até então, possuem esse mesmo formato. O que se soma à evidência indireta parelela, que considera como base comparativa o formato da pupila dos dinossauros viventes, que são as aves.

Mimetismo de Kalligrammatidae a um Maniraptora  – Imagem de Julian Kiely, 2022.

O poder da especulação

Alguns podem estar se perguntando: qual a importância de especular aspectos biológicos e evolutivos tão difíceis de se comprovar por meio do registro fossilífero? Muito da ciência começa com especulação. As descobertas científicas, em geral, nascem de hipótese de alguém. Um exemplo clássico foi a detecção das ondas gravitacionais em 2015, que haviam sido previstas por Albert Einstein em 1916.

Focando na área da Paleontologia, um exemplo muito interessante, e, à época, considerado extremamente especulativo, foi o da existência de um radiodonte (grupo que inclui o Anomalocaris) filtrador, batizado de “Ceticaris”. Nada mais que uma especulação concebida pelo artista John Meszaros, publicada no livro All Your Yesterdays, de 2013. Porém, para surpresa de muitos, em 2014 foi realmente descrito um radiodonte cambriano com hábito filtrador, Tamisiocaris borealis.

“Ceticaris” – Arte de John Meszaros

Em homenagem à previsão de Meszaros, Tamisiocaris foi incluído em um novo clado denominado Cetiocaridae. Infelizmente, o nome deste clado não é mais considerado válido, de acordo com o Código Internacional de Nomenclatura Zoológica, por não existir nenhum gênero real chamado “Cetiocaris“, então foi formalmente substituído pelo nome Tamisiocarididae.

Reconstrução de Tamisiocaris – Arte de Rob Nicholls

Finalmentes

Com base em todos os argumentos supracitados (Alô, professores de redação!), podemos inferir que a hipótese levantada pode levar a especulações e trabalhos futuros que respondam às nossas dúvidas (isso claro, se esse post, neste humilde blog, chegar nas pessoas certas, e para isso seu compartilhamento é fundamental). Gostaríamos de agradecer a Julian Kiely do excelente blog “Paleoflora” pelo artigo que inspirou este, e que isso inspire a todos os nossos leitores a imaginar e especular dentro da ciência, lançar ideias, compartilhá-las, pois só assim a ciência cresce e prospera, com união e partilha. 

Referências:

Martins-Neto, R. G. 1997. Neurópteros (Insecta, Planipennia) da Formação Santana (Cretáceo IInferior) Bacia do Araripe, Nordeste do Brasil. X – descrição de novos taxa (Chrysopidae, Babinskaiidae, Myrmeleontidae, Ascalaphidae e Psychopsidae). Revista Universidade Guarulhos , São Paulo, v. 2, n.4,. p. 68-83.

Frazer, J. 2016. Butterflies in the Time of Dinosaurs, with Nary a Flower in Sight. Scientific American.

Labandeira, C. et al. 2016. The evolutionary convergence of mid-Mesozoic lacewings and Cenozoic butterflies. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 283. 

Vinther, J., Stein, M., Longrich, N. et al. 2014. A suspension-feeding anomalocarid from the Early Cambrian. Nature 507, 496–499.

Moura-Júnior, D.A. et al. 2018. The Brazilian Fossil Insects: current scenario. Anuário do Instituto de Geociência – Ufrj, v. 41, n. 1, p. 142-166. Instituto de Geociências – UFRJ.

Mendes, M. et al. 2020. Ecosystem Structure and Trophic Network in the Late Early Cretaceous Crato Biome. Brazilian Paleofloras. Springer, Cham. 

Machado, R.J.P. et al.2021. A new giant species of the remarkable extinct family Kalligrammatidae (Insecta: Neuroptera) from the Lower Cretaceous Crato Formation of Brazil. Cretaceous Research. Volume 120.

Kiely, J. 2022. Restoring the Kalligrammatids: The not-butterflies of the mesozoic. Paleoflora.

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Um dinossauro no exílio e a luta contra o colonialismo científico

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Poucos imaginariam que um dinossauro do tamanho de um ganso desencadearia uma das maiores polêmicas da Paleontologia nos últimos anos. Para bem ou para mal, “Ubirajara jubatus” tem chamado a atenção como poucos fósseis na história da Paleontologia.

Arte de Saulo Daniel, publicada no Twitter.

Quando foi revelado ao mundo no dia 13 de dezembro de 2020, “Ubirajara jubatus” deveria ter sido visto como uma descoberta interessante do ponto de pista científico, pois tratava-se do primeiro dinossauro não-aviano com penas do Hemisfério do Sul. Contudo, a sua importância foi rapidamente ofuscada por um emaranhado de problemas éticos e legais. O estudo de “Ubirajara” representa um típico caso de colonialismo científico: um fóssil brasileiro que foi parar de maneira suspeita num museu alemão (Museu Estadual de História Natural de Karlsruhe) e uma pesquisa feita exclusivamente por cientistas estrangeiros.

O conceito de colonialismo científico foi definido em 1967 por Johann Galtung como “o processo pelo qual o centro de adquisição do conhecimento sobre uma nação está fora a própria nação”. Isto se aplica ainda à Paleontologia de vários países, cujas pesquisas, em pleno século XXI, são predominantemente feitas por estrangeiros.

Além do Brasil, países como China, Mongólia, Marrocos, República Dominicana e Myanmar, têm estado na mira, tanto de traficantes de fósseis, como de pesquisadores sem escrúpulos. Os fósseis atraem a curiosidade do público e são um valioso recurso em muitos aspectos: científico, educacional, cultural e até econômico, gerando turismo e beneficiando o comércio local. Porém, todos estes benefícios ficam num país estrangeiro, quando os fósseis são levados (legal ou ilegalmente) ao exterior e terminam estudados por equipes de outros países, o que cria dependência científica e perpetua desigualdades sociais.

No Brasil, assim como em toda a América Latina e na maior parte dos países do mundo, os fósseis pertencem legalmente à Nação onde são encontrados. Durante décadas, contudo, milhares de fósseis têm saído ilegalmente da região do Araripe, no Nordeste do Brasil, região muito rica em termos paleontológicos, mas com um baixo índice de desenvolvimento humano. Estes fósseis são adquiridos a preços irrisórios por estrangeiros, chegam ilegalmente a feiras e leilões na Europa e terminam em coleções privadas ou em museus estrangeiros.

Centenas destes fósseis no exílio têm sido estudados por cientistas estrangeiros de maneira impune nas últimas décadas. Este problema é mais do que conhecido pela comunidade científica brasileira, porém estamos acostumados a que as nossas vozes não sejam escutadas no exterior. Problema que não enfrentam, por exemplo, os autores do estudo de “Ubirajara ” e de vários outros fósseis extraídos irregularmente do Brasil. Eberhard Frey (ex-curador da coleção de vertebrados do museu onde ainda hoje está “Ubirajara”) era, até 2021, nada menos que o presidente da Associação Europeia de Paleontologia de Vertebrados (EAVP, sigla em inglês), enquanto que David Martill, também autor do estudo de “Ubirajara”, publicou um artigo defendendo abertamente que os paleontólogos desrrespeitem as leis locais.

É uma luta que sempre tem sido desigual. Porém, desta vez foi diferente. Estamos na era das redes sociais, da comunicação científica online e das hashtags. O uso de hashtags como #BlackLivesMatter e #MeToo têm mostrado que as redes sociais podem unir esforços em torno de uma causa. #UbirajaraBelongstoBR (Ubirajara pertence ao Brasil), criada no Twitter pela paleontóloga e divulgadora científica Aline Ghilardi, se espalhou como fogo na internet, poucas horas após a notícia do novo dinossauro. No Youtube, foram feitas várias lives denunciando o caso, uma delas, pediu ao público pra desenhar “Ubirajara” e protestar nas redes usando a hashtag #UbirajaraBelongstoBR. Em poucos dias este era o dinossauro mais desenhado do mundo: artistas, crianças e público geral participavam da campanha. O ruído produzido foi tão alto que em duas semanas a revista Cretaceous Research retirou a pesquisa do ar e anunciou que investigava o caso.

Em setembro de 2021, o museu de Karlsruhe contra-atacou, publicando no Instagram um comunicado no qual afirmavam que o dinossauro Ubirajara era ‘propriedade do estado de Baden-Württemberg’ e que não seria devolvido ao Brasil. Em poucos dias acumularam-se mais de 10 mil comentários pouco amigáveis de brasileiros usando a hashtag #UbirajaraBelongstoBR. O museu teve que desativar a sua conta no Instagram. Poucos dias depois, a revista Science revelou que “Ubirajara” foi importado pela Alemanha em 2006 por uma empresa privada e, então, comprado pelo Museu Estadual de Historia Natural de Karlsruhe, em 2009, o que contradizia a alegação de Eberhard Frey, que afirmava tanto que ele mesmo tinha transportado o fóssil para Alemanha em 1995, portando uma suposta autorização do governo brasileiro.

No 15 de novembro de 2021, publicamos uma carta na revista Nature Ecology and Evolution, na qual explicamos os problemas legais e éticos envolvendo não só “Ubirajara”, mas vários outros fósseis que encontravam-se no museu de Karlsruhe e em outros museus do país. Enviamos essa carta à ministra de Ciência e Cultura do estado alemão de Baden-Württemberg e, um mês depois, ela nos respondeu prometendo investigar o caso e tomar ações contra os responsáveis.

Em março de 2022 publicamos, então, um amplo estudo onde denunciamos o colonialismo científico em centenas de estudos sobre fósseis do Brasil e do México. E, finalmente, em julho de 2022, o Ministério de Ciência e Cultura de Baden-Württemberg anunciou que o Museu Estadual de Historia Natural de Karlsruhe tinha atuado de maneira desonesta e ordenou a devolução do fóssil ao Brasil. Além disso, solicitou ao museu que informasse sobre todos os fósseis que se encontram irregularmente na sua coleção.

Eberhard Frey aposentou-se prematuramente em 2022 e Norbert Lenz, também autor do estudo e diretor do museu, foi removido do seu cargo em julho de 2022.

Devido à repercussão gerada pelo caso, algumas revistas acadêmicas têm adaptado políticas mais rígidas sobre a origem legal dos fósseis nas suas publicações. Adicionalmente, alguns países começaram a retornar voluntariamente fósseis ao Brasil, como em outubro de 2021, quando uma universidade dos EUA entregou 36 aranhas fósseis ao Museu de Paleontologia de Santana do Cariri, e em fevereiro de 2022, quando a Bélgica devolveu ao Brasil um pterossauro.

No momento em que estas linhas são escritas, seguimos esperando pela repatriação, não só do dinossauro “Ubirajara”, mas de centenas de outros fósseis que se encontram irregularmente em Karlsruhe e em outros museus da Alemanha. Aconteça o que acontecer, a Ciência não será a mesma após este caso. “Ubirajara” está já no salão da fama dos maus exemplos na Paleontologia, junto a Archaeoraptor e ao Homem de Piltdown.

*Este texto foi originalmente publicado em espanhol em http://saberesyciencias.com.mx/2023/02/10/dinosaurio-exilio-la-lucha-colonialismo-cientifico/

Referências:

Smyth, R.S.H. et al. 2020. WITHDRAWN: A maned theropod dinosaur from Gondwana with elaborate integumentary structures. Cretaceous Research.

Martill, D. 2018. Why palaeontologists must break the law: a polemic from an apologist. The Geological Curator 10: 641-649.

Padilha, P. K. 2020. ROUBARAM mais um DINOSSAURO DO BRASIL #UbirajarabelongstoBR. https://youtu.be/Uf_QjXwbEDU

Pérez Ortega, R. 2021. Retraction is ‘second extinction’ for rare dinosaur. Science 374: 14-15.

Cisneros, J.C. 2021. The moral and legal imperative to return illegally exported fossils. Nature Ecology & Evolution, 6:2-3.

Cisneros, J.C. 2022. Digging deeper into colonial palaeontological practices in modern day Mexico and Brazil. Royal Society Open Science 9:210898.

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Sacos aéreos evoluíram múltiplas vezes!?

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A espécie humana está na Terra há apenas 300 mil anos. Somos jovens nesse pequena planeta azul e dinâmico. Os dinossauros, por sua vez, estão por aqui há pelo menos 233 milhões de anos, desde o Período Triássico e, não custa lembrar, permanecem vivos até hoje na forma das aves. Esse grupo de animais tolerou e se adaptou a uma grande variedade de climas e mudanças dramáticas na configuração dos continentes ao longo do tempo. Por isso são um modelo excelente para estudarmos evolução biológica. Eles têm muito a nos ensinar sobre os segredos da sobrevivência.

Durante o auge do reinado dos dinossauros, na Era Mesozoica, o clima do nosso planeta era muito mais quente do que hoje. Uma das características que favoreceu este grupo de animais foi a evolução de sacos aéreos, um tipo de upgrade do sistema respiratório. Os sacos aéreos são estruturas conectadas aos pulmões, que se espalham por toda cavidade toráxica e abdominal desses animais, penetrando inclusive os ossos. Estão presentes nas aves atuais e não apenas tornam sua respiração mais eficiente, mas também ajudam a deixar os seus esqueletos mais leves, o que favorece, por exemplo, o voo. Apesar de muito característicos das aves, os sacos aéreos não são uma exclusividade dos delas. Eles também estavam presentes nos dinossauros não-avianos (todos os outros dinossauros, que não as aves) muito antes da evolução do voo.

Esquema mostrando os sacos aéreos em aves atuais. Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Sacos_a%C3%A9reos

Imagina-se que os sacos aéreos originalmente favoreceram os dinossauros por funcionarem como um sistema eficiente de captação de oxigênio e também por serem um sistema de refrigeração natural. Se você, hoje, fica ofegante fazendo exercícios no verão quente, saiba que os dinossauros eram (e são!) muito mais eficientes que você em captar oxigênio e se refrigerar. Não é à toa que eles saíram na frente na corrida evolutiva (enquanto nosso grupo, o dos mamíferos, ficou por quase 150 milhões de anos no banquinho de reservas evolutivo).

Já é bem sabido que dinossauros do Período Cretáceo, como o T. rex e alguns pescoçudos, como o Ibirania, tinham um extenso sistema de sacos aéreos pelo corpo. Inclusive, bem parecido com os das aves atuais. Só que a origem e evolução deste sistema tem sido um enigma por várias décadas. Será que os primeiros dinossauros, lá do período Triássico, já tinham sacos aéreos?

O que sabíamos era que a pneumaticidade do esqueleto relacionada a um sistema de sacos aéreos estava presente tanto em dinossauros derivados, ou seja, aqueles que viveram durante o Período Cretáceo, quanto em pterossauros, répteis voadores parentes próximos dos dinossauros. Ambos os grupos seguiram um caminho evolutivo independente a partir do Período Triássico. Uma explicação para a presença de sacos aéreos tanto em dinossauros quanto em pterossauros seria que a origem dessas estruturas se deu bem antes deles terem seguido seu caminho evolutivo independente, isto é, ainda em seus ancestrais.

Porém, a questão permaneceu em aberto. Faltavam estudos avaliando a presença dessas estruturas tanto em dinossauros mais antigos quanto em ancestrais dos pterossauros e dinossauros…

Para nossa sorte, o Brasil têm os fósseis dos mais antigos dinossauros e é aí que entra o estudo publicado agora em Dezembro de 2022 pelo nosso grupo de pesquisa, na revista Scientific Reports:

Para tentar solucionar este enigma, um grupo de pesquisadores brasileiros da Unicamp, UFRN, UFSCar e UFSM e um colaborador da Western University of Health Sciences, dos E.U.A., analisaram três fósseis de alguns dos mais antigos dinossauros do mundo, Buriolestes, Pampadromaeus e Gnathovorax, do Período Triássico do Rio Grande do Sul. Estes são alguns dos dinossauros mais antigos conhecidos até o momento, com 233 milhões de anos de idade!

Reconstrução do dinossauro herrerassaurídeo Gnathovorax. Arte por Márcio L. Castro.

Foi possível notar que os ossos da coluna vertebral (vértebras) desses animais apresentavam pequenos orifícios nas laterais. Sabemos que os sacos aéreos ingressam no esqueleto através de estruturas semelhantes a isso. Porém, os orifícios encontrados eram muito pequenos, o que talvez indicasse uma outra função.

Realizamos, então, tomografias de alta resolução (micro-tomografias) para investigar a estrutura interna dos fósseis. A análise revelou uma arquitetura bastante densa nas vértebras desses animais, bem diferente do que conhecemos em esqueletos permeados por sacos aéreos de dinossauros que viveram no Cretáceo ou mesmo as Aves. Porém, Buriolestes e Pampadromaeus mostraram uma vascularidade mais complexa no interior das vértebras, do que Gnathovorax. Uma vascularidade mais desenvolvida pode ter servido de alicerce para o surgimento das estruturas pneumáticas conhecidas como câmaras e camelas, típicas da invasão das vértebras por sacos aéreos.

Reconstrução do dinossauro Pampadromaeus. Arte por Márcio L. Castro.

A ausência de pneumaticidade no esqueleto pós-craniano desses dinossauros mais antigos contradiz a hipótese de que os sacos aéreos invasivos presentes em dinossauros e pterossauros são homólogos, ou seja, de que teriam surgido no ancestral comum desses animais. Isso indica que a pneumaticidade óssea associada à sacos aéreos evoluiu pelo menos três vezes independentemente em Avemetatarsalia, grupo que inclui dinossauros, pterossauros e seus parentes. Ou seja, evoluiu de forma independente em pterossauros, dinossauros terópodes (grupo dos dinossauros carnívoros) e sauropodomorfos (grupo dos dinossauros pescoçudos).

Uma árvore simplificada dos dinossauros e seus parentes mostrando a evolução independente dos sacos aéreos em pterossauros, dinossauros terópodes e sauropodomorfos.

Essa descoberta muda a forma como compreendíamos os dinossauros e seus parentes. Passo a passo estamos entendendo melhor a sua evolução e o segredo do seu sucesso. É possível que algum fator ambiental tenha sido o gatilho para a evolução desse sistema sacos aéreos em diferentes grupos de avemetatarsalianos, mas isso são cenas para os próximos capítulos!

Gostaríamos de agradecer as agências de fomento que tornaram possível esta pesquisa: o CNPq, a FAPESP e a FAPERGS.

Acesse o artigo completo: Aureliano et al. 2022. The absence of an invasive air sac system in the earliest dinosaurs suggests multiple origins of vertebral pneumaticity. Scientific Reports. https://www.nature.com/articles/s41598-022-25067-8

E assista o vídeo de divulgação: https://youtu.be/8XenPxROthY