En noviembre de 2008, se descubrieron los restos fósiles de Livyatan melvillei en los sedimentos de la formación de Pisco en Cerro Colorado, 35 km al sudeste de Ica, Perú.7 El hallazgo consiste en un cráneo parcialmente conservado con varios dientes y una mandíbula.7 El investigador del Museo de Historia Natural de Róterdam Klaas Post tropezó con los restos al final de un día de trabajo de campo en noviembre de 2008. Post formó parte de un equipo internacional de investigadores, dirigidos por Christian de Muizon, director del Museo de Historia Natural en París, que incluyó otros paleontólogos de la Universidad de Utrecht, el Museo de Historia Natural de Roterdam, el Museo de Historia Natural de Pisa, el Museo de Historia Natural de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos de Lima y el Instituto Real de Bélgica de Ciencias Naturales.4
Los fósiles se fecharon en 12 a 13 millones de años de antigüedad; se prepararon en Lima, Perú, y actualmente forman parte del Museo de Historia Natural de esta ciudad.
El cráneo de Livyatan melvillei encontrado tiene 3 metros de longitud.7 A diferencia del cachalote moderno (Physeter macrocephalus), L. melvillei poseía dientes funcionales en ambos maxilares.7 Las mandíbulas de L. melvillei eran poderosas y su fosa temporal era bastante más grande que la del cachalote actual.7 L. melvillei es uno de los predadores más grandes conocidos actualmente, los expertos en ballenas usan la frase, «la mordida más grande de un tetrápodo jamás encontrada», para explicar su hallazgo.7 Los dientes de L. melvillei encontrados alcanzan los 36 cm y son los más largos encontrados de cualquier animal conocido hasta ahora.7 Se conocen dientes más largos (colmillos), por ejemplo, en la morsa, el narval y el elefante, pero no son usados directamente para alimentarse o cazar
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