Когда эхо динозавров, хрустящих в лесах и плещущихся в каньонах, затихло 66 миллионов лет назад во время их исчезновения, мир не замолкал - млекопитающие суетились и болтали в своих тенях, заполняя пустоты новыми и быстро развивающимися видами. Ученые считают, что первые плаценты появились примерно в это же время, заложив основу для самой большой группы млекопитающих, живущих сегодня, включая нас.
Палеоцен - эпоха после вымирания неавиных динозавров - отмечает один из самых важных периодов эволюции млекопитающих, но исследователи не понимают, как и почему млекопитающие эволюционировали так быстро в это время. По словам Тома Уильямсона, палеонтолога из Музея естественной истории и науки Нью-Мексико в Альбукерке, стремительная эволюция имеет тенденцию следовать за массовым вымиранием, но ученые тоже не понимают этого. «Это тот, кем мы на самом деле являемся, наши предки возникли в это время, и это действительно плохо понято», - говорит Уильямсон.
Вот почему он и команда из шести других ученых из США, Шотландии, Китая и Бразилии работают вместе, чтобы дразнить десятки окаменелостей млекопитающих за первые 12 миллионов лет после исчезновения динозавров, чтобы создать самое детальное раннее семейное древо млекопитающих на сегодняшний день. Им нужно будет проанализировать сложные структуры скелета - в том числе кости ушей и случаи головного мозга - чтобы различать виды, но традиционные рентгеновские снимки не всегда могут уловить эти мелочи. Таким образом, команда создала уникальное партнерство с Лос-Аламосской национальной лабораторией (ЛАНЛ) в Нью-Мексико для создания изображений высокого разрешения с использованием современного нейтронного сканера. Уильямсон - первый палеонтолог, сотрудничающий таким образом с лабораторией, которая имеет корни в ядерной обороне. Партнерство демонстрирует, как ядерные технологии, которые могут в конечном итоге уничтожить нас как вид, также породили инновации, такие как этот нейтронный сканер, которые могут помочь нам понять наше собственное происхождение как вида.
До исчезновения динозавров одной из наиболее распространенных и разнообразных групп млекопитающих, снующих вокруг планеты, были похожие на грызунов существа, называемые мультитуберкулезными. Некоторые из них пережили вымирание, измеряя размер маленьких мышей. Но новые группы млекопитающих также начали появляться после вымирания и быстро менялись. «Вы превращаетесь из млекопитающего размером с кошку в человека размером примерно 300 000 лет, что очень быстро», - говорит Уильямсон, отмечая, что этот быстрый темп является частью того, что делает этот период особенно интересным, но также и сложным для Понимаю.
Том Уильямсон записывает ископаемую находку на своем месторождении в бассейне Сан-Хуан на северо-западе Нью-Мексико. (Лора Поппик) Чтобы добраться до первичного полевого участка, где Уильямсон нашел достаточно доказательств этой жизни, мы проезжаем несколько часов к северо-западу от Альбукерке в бесплодные земли бассейна Сан-Хуан. Когда мы прибываем, мы идем через бесплодные серые холмы цвета лунной пыли, которые когда-то были берегами реки. Теперь они разрушаются на ветру, медленно выплескивая остатки древней экосистемы. Это одно из лучших мест в мире, где можно найти останки млекопитающих этого периода, объясняет Уильямсон, когда мы спускаемся к плоской депрессии, где ему особенно повезло в десятилетия охоты на ископаемых.
Я начинаю разглядывать окаменелости среди обломков на земле и поднимаю кусок белесовато-серой скалы размером с мой кулак. У него есть направленное зерно, которое, на мой взгляд, может быть костью. Я показываю это Уильямсону, и он качает головой. «Просто окаменелое дерево», - говорит он, не столь впечатленным многомиллионным деревом, превращенным в камень, как я.
В течение следующих нескольких часов я более остро тренирую свои глаза и нахожу множество других окаменелостей: панцири черепах, шкуры ящерицы, рыбья чешуя и многое другое. Но на самом деле Уильямсону нужны останки млекопитающих, особенно зубы и черепа животных, в том числе Eoconodon coryphaeus - маленькое всеядное животное размером с кошку, способное взбираться - и батмодон Pantolambda, травоядное животное размером с овцу, которое держалось ближе к земле. Он следит за зубами и черепами, потому что другие части скелетов млекопитающих имеют тенденцию выглядеть поразительно похожими, если они эволюционировали, чтобы противостоять тем же условиям окружающей среды. «Подобного рода вы обманываете себя, думая, что они тесно связаны, когда они не связаны», - объясняет Уильямсон.
Но некоторые структуры, включая ушные кости, не так восприимчивы к так называемой конвергентной эволюции, потому что уши не так легко колеблются окружающей средой, как другие части тела, говорит Уильямсон. Крошечные отверстия в черепе, где кровеносные сосуды и нервы соединяют мозг с остальной частью тела, являются особенно полезными идентификаторами различных видов, говорит Мишель Сполдинг, палеонтолог из Университета Пердью в Северо-западе Университета Пердью в Вествилле, штат Индиана, который участвовал в исследовании. «Они могут создавать очень диагностические паттерны в области уха, которые помогают нам определить, к какой группе будет принадлежать животное», - отмечает она.
Но эти дыры крошечные и их невозможно изучить невооруженным глазом, поэтому партнерство команды с Лос-Аламосской национальной лабораторией становится решающим для проекта. В лаборатории работают одни из самых мощных в мире рентгеновских и нейтронных сканеров, которые могут генерировать изображения с максимально высоким разрешением, говорит Рон Нельсон, специалист по приборам из Научного центра нейтронных технологий в лаборатории. В прошлом году он проверил нейтронный сканер на большом черепе динозавра с Уильямсоном, успешно сгенерировав сканирование самого высокого разрешения черепа тиранозавра, когда-либо выполненного. С уверенностью в технологии, они теперь перешли к изображению небольших структур млекопитающих.
Лос-Аламосская национальная лаборатория была построена в 1943 году для исследований в области ядерной обороны, связанных с Манхэттенским проектом, с целью разработки первого ядерного оружия во время Второй мировой войны. С тех пор он все больше расширяет свое сотрудничество с учеными, начиная от ботаников и заканчивая физиками, особенно в своем Научном центре нейтронов, который включает ускоритель длиной в полмили, который генерирует нейтроны - незаряженные частицы, найденные в атомах, которые обеспечивают преимущества визуализации по сравнению с электронами, используемыми в Х -лучей.
В то время как рентгеновские лучи поглощаются и хорошо отображают плотные материалы, нейтроны обнаруживают состав внутри атомов независимо от плотности. Это означает, что нейтроны могут проникать в материалы и захватывать изображения, которые рентгеновские лучи не могут. Классическим примером, демонстрирующим это явление, является изображение розы в свинцовой колбе. «Нейтроны более чувствительны к цветку, поэтому вы можете отобразить цветок внутри свинца», - говорит Нельсон.
Нейтронная визуализация имеет множество применений при обнаружении взрывчатых веществ и ядерных материалов. Но он также предлагает новые решения для визуализации окаменелостей, застрявших внутри и скрытых плотными минералами в горных породах. Вырывание окаменелостей из камня разрушило бы образец, поэтому нейтронное сканирование дает ученым неразрушающую альтернативу - хотя образцы действительно становятся радиоактивными в течение некоторого времени после сканирования, отмечает Уильямсон. Его образцы, как правило, безопасны для обработки через несколько дней, но другие материалы остаются радиоактивными гораздо дольше, в зависимости от их состава.
Нельсон говорит, что партнерство с палеонтологами является взаимовыгодным, поскольку оно бросает вызов лаборатории для преодоления новых проблем. «Совершенствуя наши методы на их образцах, мы улучшаем возможности, которые мы имеем для решения других проблем, которые мы пытаемся решить», - говорит он.
Нейтронное сканирование (слева) и рентгеновское сканирование (справа) могут предложить бесплатные изображения для изучения различных компонентов окаменелостей. (Лос-Аламосская национальная лаборатория) Помимо сканирования окаменелостей, команда изучит химию зубов разных видов, чтобы узнать больше о климате, в котором жили эти животные. Команда также изучит данные о молекулярных отношениях между современными млекопитающими и их связи с некоторыми из этих вымерших виды. Это помогает обеспечить временную калибровку и строительные леса для дерева, но молекулярные данные по-прежнему имеют много пробелов, которые необходимо заполнить. Вот почему так важно проводить этот углубленный анализ окаменелостей, говорит Пендонтолог из Natural Natural Анджали Госвами. Музей истории в Лондоне, который также изучает эволюцию ранних млекопитающих, но не участвует в этой работе.
«Одна из самых важных вещей - это найти ископаемые и найти новые места, которые не совсем понятны», - говорит она, отмечая, что недостаточно изученные регионы в Индии и Аргентине, где она работает, могут также помочь заполнить пробелы в загадка ранней эволюции млекопитающих.
По словам Сполдинга, получившееся генеалогическое дерево станет трамплином для изучения более подробной информации об этих древних существах, в том числе о различных типах ландшафтов и сред, в которых они бродили.
«Как только мы выясним, как все связано, мы можем начать задавать более интересные вопросы об эволюции млекопитающих», - говорит она.
