Рассказывает профессор палеонтологии позвоночных в Бристольском университете Майкл Дж. Бентон
Технологии визуализации произвели революцию в палеонтологии, позволив учёным изучать окаменелости, залегающие глубоко в породах или слишком малые для обработки. Два недавних исследования, в которых я принимал участие, демонстрируют потенциал этой технологии, в том числе одно, которое открыло новый вид динозавров, значительно превосходивший других хищников, живших бок о бок с ними сотни миллионов лет назад.
В первом исследовании мы с коллегами исследовали отпечаток окаменелой челюстной кости, описанной в 1899 году лишь как принадлежавшей возможному динозавру. Благодаря своему возрасту (203 миллиона лет) этот образец представлял дополнительную ценность как потенциально необычно крупный ранний плотоядный динозавр.
Динозавры появились в триасовый период, 252–201 миллион лет назад, но, как правило, плотоядные формы не достигали трёх метров в длину и весили не больше немецкой овчарки. Нам известно, что экземпляр 1899 года из позднего триаса близ Кардиффа в Южном Уэльсе имел фрагменты челюсти и плотоядных зубов древнего животного и мог принадлежать животному длиной пять метров или более.
Образец практически не изучался с 1899 года, поскольку представлял собой лишь отпечатки в породе. На момент обнаружения блок был расколот, что позволило обнаружить отпечаток внутренней и внешней части нижней челюсти с 16 зубами и их лунками. Однако исходного костного материала не сохранилось.
Традиционно палеонтологи делали слепок с образца, используя гипс или какой-либо гибкий пластик, но такое литье могло повредить хрупкую окаменелость. Поэтому образец хранился в музее более века.
Мы применили новый, но простой метод получения 3D-модели, называемый фотограмметрией. Он заключается в создании множества фотографий двух природных скальных форм и их последующей сшивке с помощью программы для 3D-моделирования, что-то вроде функции панорамной съёмки на многих смартфонах, позволяющей объединять фотографии широкого обзора.
Полученную трёхмерную челюсть можно рассматривать со всех сторон и вращать. Это значительно упрощает изучение, чем изучение скальных отпечатков.
Этот метод не повредил уникальный ископаемый образец и может быть передан другим учёным для дальнейшего изучения. В данном случае естественный оттиск породы был очень подробным, сохранив информацию о каналах в кости для кровеносных сосудов и нервов, а также о зазубринах на режущих кромках зубов.
Мы сравнили его с другими окаменелостями динозавров и определили, что он принадлежит динозавру, похожему на дилофозавра, из раннего юрского периода, 201–174 миллиона лет назад, обитавшему в США. Но он был на 10 миллионов лет старше и относился к совершенно новому роду и виду.
Мы назвали его Newtonsaurus cambrensis в честь Эдвина Тулли Ньютона , который впервые изучил его в 1899 году. Челюсть позволяет предположить, что изначально длина животного составляла 5–7 метров, это было крупное двуногое плотоядное животное с хватательными передними лапами и мощными челюстями.
Во втором исследовании мы просканировали крошечный скелет рептилии, также из триасовых пород. Этот скелет был найден в Девоне и оказался на 40 миллионов лет старше – ему было 243 миллиона лет.
Когда он был найден в 2015 году, коллекционер Роб Корам попытался очистить крошечный скелет традиционными методами, удалив песчинки тонкой иглой. Однако крошечные размеры образца (с черепом диаметром 1 см и тремя зубами на миллиметр) сделали это невозможным.
Сначала мы сделали КТ-снимок на обычном микро-КТ-сканере и создали подробную трёхмерную реконструкцию. Однако детализации оказалось недостаточно, поэтому мы провели сканирование на европейском синхротроне в Гренобле, Франция, чтобы получить детальное изображение каждого зуба и многих других структур. Синхротрон создаёт чрезвычайно интенсивный луч света, который учёные используют для изучения мельчайших частиц.
Сканирование и реконструкция показывают, что эта маленькая рептилия, которую мы назвали агриодонтозавром , питалась насекомыми. Она боролась с тараканоподобными насекомыми размером с собственную голову и разгрызала их кожу широкими, похожими на долото зубами.
Виртуальная палеонтология
Компьютерная томография получила повсеместное распространение в палеонтологии : сотни сканирующих аппаратов установлены в исследовательских отделах университетов и музеев.
В случае с агриодонтозавром компьютерная томография дала нам четкое изображение зон компактной и менее компактной кости, а также мест крепления зубов.
Теперь цифровые 3D-модели позволяют учёным заглянуть внутрь костей и раковин, обнаруживая скрытую анатомическую информацию. Например, некоторые панцирные организмы, такие как аммониты и фораминиферы, развивались на протяжении всей своей жизни из одной раковинной камеры , постоянно разворачиваясь наружу по мере формирования новых жилых камер. Вся история развития запечатлена внутри раковины взрослого организма, и её можно проследить с помощью сканирования.
Цифровые модели окаменелостей также можно использовать для функциональных экспериментов. Например, можно проанализировать механические свойства черепов, смоделировать места соединения челюстей и черепа животного, реконструировать его мышцы и рассчитать силу укуса. Это говорит о том, что тираннозавр рекс мог развивать силу укуса до 50 000 ньютонов, что эквивалентно силе в 5 тонн.
Другой подход, конечно-элементный анализ , позволяет палеонтологам исследовать реакцию скелета или черепа на сжатие и растяжение. Эти биоинженерные исследования показали, например, что хищные динозавры, как правило, не были способны бороться с добычей, изгибаясь и поворачиваясь, — они в основном концентрировались на прямых укусах снизу вверх.
Это новый мир виртуальной палеонтологии. Посмотрим, куда он нас приведёт.