Представьте себе палеонтолога, и вы, вероятно, представляете, как кто-то в каменистой пустыне копает кости динозавра или сгорбился над каменной плитой в лаборатории, медленно отщепляя древние отложения, чтобы обнаружить окаменелые остатки ушедшей эпохи.
Но согласно новой статье, написанной палеонтологами Бристольского университета, этот образ одиноких пыльных ученых-динозавров крайне устарел.
Джон Каннингем, ведущий автор статьи, говорит, что современное исследование вымерших животных основано на передовых технологиях визуализации, трехмерном моделировании, виртуальной реконструкции и рассечении, что расширяет наши знания о древних животных, а также о других видах, старых и новых.
Новые методы визуализации даже позволяют фактически удалять окаменелости из окружающей скалы, экономя месяцы или годы кропотливой работы; Получающиеся виртуальные кости могут быть легко переданы и изучены, или даже напечатаны.
Как и во многих других отраслях, 3D-печать и моделирование помогают палеонтологам лучше понять окаменелости, чем когда-либо прежде. С помощью 3D-моделей ученые могут манипулировать определенными частями образца для дальнейшего изучения, заменять недостающие участки данными другой части этой кости или восстанавливать в цифровой форме черепа или другие сложные структуры, которые были сплющены или иным образом искажены в процессе окаменения. Мягкие ткани, такие как внутренняя часть корпуса мозга, или мышцы, которые прикрепляются в различимых точках на костях, также могут быть практически реконструированы.
Как только эти точные модели созданы, окаменелости могут быть проверены по-новому, например, подвергнуть их биомеханическому анализу, точно так же, как инженеры-строители проверяют мосты и здания перед их строительством. Это может сказать ученым, как данное животное могло ходить, что оно ело, как быстро оно могло двигаться и какие движения оно не могло совершать из-за ограничений его костей и мышц.
Достижения в области рентгенографии и электронной микроскопии, в которых используются пучки электронов для создания изображения образца, также позволяют ученым с удивительным уровнем детализации смотреть не только на породы, содержащие окаменелости, которые еще не были полностью физически открыты, но внутри тел самих окаменелых животных.
Например, группа в Германии недавно объявила, что обнаружила самую раннюю из известных птиц для опыления растений, потому что они смогли увидеть и различить несколько видов пыльцевых зерен в желудке окаменелости 47 миллионов лет.
Удивительно, однако, Каннингем говорит, что есть еще более точные методы для визуализации. Синхротронная томография, которая использует ускоритель частиц для получения очень ярких рентгеновских лучей, дает точные, чистые изображения, говорит Каннингем, делая видимые структуры размером менее одной тысячной миллиметра или одной сотой толщины волоса человеческого волоса.,
«Используя синхротронную томографию, мы смогли визуализировать сохраненные субклеточные структуры, включая возможные ядра», - говорит Каннингем. «Можно даже практически полностью разобрать такие структуры».
Это изображение показывает, как фотографии окаменелости (слева) были реконструированы с помощью цифровых инструментов (справа). (Бристольский университет) Большие данные Динозаводов Перемещение данных из огромных коллекций ископаемых с полок пыльных образцов в виртуальный мир, однако, является еще одной проблемой в целом. Марк Норелл, председатель отдела палеонтологии в Американском музее естественной истории, и его команда потратили огромное количество времени на оцифровку своих файлов. «У нас здесь есть сканер, и он работает почти 24 часа в сутки», - говорит он. Быстро растущий запас цифровых данных окаменелости, отнимающий много времени на создание, открывает новые возможности для совместной работы, а также позволяет сравнивать десятки образцов из учреждений по всему миру.
Например, по словам Норелла, один из его учеников только что закончил диссертацию, посвященную реконструкции внутреннего уха живых и окаменелых змей. Она включила около ста образцов, но «на самом деле отсканировала только половину этого», - говорит Норелл. - «Это были вещи, которые другие люди уже опубликовали [поэтому] эти необработанные сканы уже были загружены».
Но, несмотря на достигнутый прогресс, Каннингем и его команда говорят, что старые законы, которые связывают авторские права с ископаемыми в музеях, и отсутствие крупномасштабной электронной инфраструктуры для хранения и обмена данными удерживают поле от более быстрых достижений.
Некоторые исследователи также не заинтересованы в том, чтобы делиться своими данными, какими они должны быть, даже после публикации, если в данных есть потенциал для дальнейшего исследования, говорит Каннингем. По его словам, многие музеи защищают авторские права на свои окаменелости, что препятствует обмену информацией, а другие также используют передовые технологии палеонтологии для получения прибыли.
«Некоторые настороженно относятся к разрешению широкого доступа к цифровым данным, так как это означает, что любой, имеющий доступ к 3D-принтеру, может начать печатать модели», - говорит Каннингем, - что может быть полезно для любителей и преподавателей естествознания в средней школе, но может навредить конечному результату. из учреждения, которому принадлежат данные.
По словам Каннингема, помимо сбора самих данных большой проблемой для учреждений является возможность хранить, поддерживать и предоставлять большие объемы данных, которые в настоящее время генерируются палеонтологами.
Однако в США, по словам Норелла, существует несколько хранилищ данных, таких как Digimorph в Университете Остина, MorphoBank в Стони-Брук или Morphbank в Университете штата Флорида, доступных для исследователей. Он также не считает, что технические и финансовые трудности, связанные с хранением и распространением данных, так трудно преодолеть.
«Я работаю с группой астрономов здесь, в музее, и виды данных, которые поступают от их инструментов, примерно на три порядка больше, чем виды данных, которые мы получаем из томографических исследований», - говорит Норелл. «Так что это проблема, но это не проблема».
Учиться у живых
Однако они согласны с тем, что одна из основных проблем, стоящих сейчас перед палеонтологией, заключается в том, насколько удивительно мало мы знаем о современных живых животных.
Как Каннингем и другие авторы указывают в своей статье, «… главные ограничения при чтении летописи окаменелости в настоящее время лежат главным образом и, по иронии судьбы, в плохом знании анатомии живой биоты».
Норелл тоже столкнулся с этой проблемой. Его лаборатория практически реконструировала мозг динозавров, тесно связанных с птицами. Но когда они начали искать сравнительные данные у современных животных, они не смогли найти ни одной карты активации мозга для живой птицы. Поэтому его сотрудникам в Брукхейвенской национальной лаборатории пришлось построить крошечный шлем для сканирования ПЭТ для птиц и собрать современные данные, необходимые для их древних сравнений.
«Раньше большинство палеонтологов прежде всего обучались на геологов», - говорит Норелл. «Теперь… большинство из нас считает себя биологами, которые иногда работают с ископаемыми».
