El Archaeothyris era un ofiacodonto primitivo, uno de los primeros sinápsidos, estos eran los ancestros de los mamíferos. A diferencia de otros reptiles con los que estaba emparentado, como el Hylonomus o el Petrolacosaurus, este era mucho mayor (50 cm), mientras que los otros medían 20 o 30. Esto se deba a que los sinápsidos solo tienen una fosa temporal, que les permite tener más músculos en la mandíbula y una mordida más fuerte. Su cráeo también era más grande que el de aquellos reptiles, y su cola era más corta.
Otro rasgo distintivo suyo es que ya poseía dientes diferenciados (básicamente en dientes “normales”, por llamarlos de alguna forma” y dos enormes caninos, un rasgo común de sus descendientes mamíferos). Sus patas eran largas y acodadas, rematadas por cinco dedos con garras que le permitían escalar los troncos de los árboles. Cazaba insectos esperando en los troncos o en tierra, y a veces atraparlos al vuelo, pero en el Carbonífero los insectos eran gigantes, y podía ser él la presa si era atacado por el Pulmonoscorpius, por ejemplo.
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