3D-печать в палеонтологии – «воскрешаем» организмов вымерших миллионы лет назад
В прошлой заметке Цифровое настоящее и будущее палеонтологии мною были кратко освещены основные аспекты в развитии палеонтологии с помощью современных цифровых технологий. В частности, была описана такая задача, как 3D моделирование ископаемых животных и растений.
Но прогресс не стоит на месте, и то что до недавнего времени считалось фантастикой, местами, является рабочим процессом в некоторых организациях. Я имею ввиду печать с помощью 3D-принтеров.
Я являюсь сотрудником Дарвиновского музея (рис. 1), который, к счастью, располагает возможностью и технологиями для производства подобных моделей и мне хотелось бы описать процесс построения моделей животных, с которых мы решили начать обновление экспозиций.
Рис. 1. Дарвиновский музей, Москва, ул. Вавилова, 57 (метро Академическая)
Преамбула
В качестве первых пробных моделей, нами была выбрана фауна сланцев Бердесс (рис. 2). Это уникальное местонахождение находится в Канаде, в Скалистых горах и имеет среднекембрийский возраст (около 510 млн. лет). Оно при этом является богатейшим по разнообразию местонахождением кембрийских ископаемых в мире.
Рис. 2. Сланцы Берджесс
Немного дополнительной справки об истории открытия местонахождения.
Ископаемые остатки в Бёрджесских сланцах впервые обнаружил палеонтолог Чарльз Дулитл Уолкотт в 1909 году в конце своего полевого сезона. В 1910 году он вернулся туда вместе с сыном и начал раскопки около местности, получившей название Хребет ископаемых (Fossil Ridge). Он возвращался на раскопки каждый год вплоть до 1924 года — к тому времени, когда ему исполнилось уже 74 года, он обнаружил более 65 тысяч образцов. Описанием этих образцов Уолкотт был занят до самой своей смерти в 1927 году. Ошибкой Уолкотта было то, что он пытался поместить все ископаемые останки в известные к тому времени таксоны, и многие из них выглядели курьёзами. Лишь в 1962 году произошёл фундаментальный пересмотр классификации бёрджесских остатков, которую провёл Альберто Симонетта. Это привело к новому взрыву интереса к местности, так как выяснилось, что многие открытые организмы представляют собой нечто новое, ранее неизвестное. Количество обнаруженных в формации палеонтологических останков настолько велико, что в обиход вошёл термин «фауна сланцев Бёрджес».
Анализ ископаемых сланцев Берджесс, выполненный Уиттингтоном и его коллегами в 1970-х, лег в основу книги Гулда «Удивительная жизнь», открывшей кембрийский взрыв для широкой публики (рис. 3).
Среди ископаемых сланцев Бёрджес наиболее распространены членистоногие, однако многие из них необычны и с трудом поддаются классификации
Рис. 3. Реконструкция облика животных фауны Сланцев Берджесс
Виды и модели
Нами были выбраны несколько наиболее известных и интересных исходя из своей морфологии представителей фауны Сланцев Берджесс, а именно пять следующих видов разных таксономических групп:
Opabinia regalis
Pikaia gracilens
Anomalocaris sp.
Hallucigenia sparsa
Wiwaxia sp.
Opabinia regalis – представитель членистоногих класса Dinocarida. Первооткрыватель опабинии, Чарльз Дулиттл Уолкотт, назвал её в честь местной горы — перевала Опабин на горе Хунгаби в канадских Скалистых горах. На данный момент известно тридцать образцов опабинии, и каждый из них имеет размер в диапазоне от 40 до 70 мм. Наиболее примечательной особенностью опабинии являются её пять глаз, находящиеся на задней поверхности головы. Эти глаза, вероятно, использовались животным для поиска пищи. Из-за её гибкого тела неизвестно, вела ли опабиния пелагический или бентический образ жизни.
Первая реконструкция опабинии была представлена в работе Хутчинсона (Hutchinson, 1930) и представляла опабинию перевернутой, относительно дорсальной стороны (рис. 4, а).
Мы использовали за основу наиболее позднюю реконструкцию опабинии (рис. 4, е; рис. 2), опубликованную несколько лет назад (Zhang, Briggs, 2007).
Рис. 4. Эволюция реконструкций Opabinia regalis в работах различных авторов
Рис. 5. Реконструкция Opabinia regalis, выполненная 3-D моделлером Е.Ю.Махневым
Pikaia gracilens – небольшое примитивное хордовое животное. Длина тела взрослых особей достигала от 1,5 до 6 см, в среднем она равнялась 4 см. Высота тела составляла от 7 до 16 % его длины, в среднем около 11 %.
Тело пикайи удлинённой формы, округлого сечения в передней части и сжатое с боков в остальных частях. Вдоль брюшной стороны тянулся узкий гребень, напоминающий плавник. Еще один гребень, хотя и не столь высокий, располагался на спинной стороне.
Голова была очень маленькая, подразделенная на две округлые лопасти, на которых имелась пара щупалец. Есть основания полагать, что эти щупальца были упругими, поскольку после смерти животного они обычно оставались прямыми, судя по сохранившимся отпечаткам. Скорее всего, они выполняли функцию органов обоняния и осязания. У основания головы на ее нижней стороне размещалось ротовое отверстие. Никаких органов, похожих на глаза, не обнаружено (рис. 6, 7).
Позади головы по обеим сторонам глотки имелось 9 пар ветвистых придатков, которые трактуются исследователями как наружные жабры. Вблизи оснований этих придатков иногда видны небольшие округлые пятна, возможно, соответствующие жаберным щелям (Morris, Caron, 2012).
За основу взята утвержденная реконструкций пикайи (Gould, 1991) и (рис. 6).
Рис. 6. Реконструкция пикайи (Gould, 1991).
Рис. 7. Более новая возможная реконструкция внешнего облика Pikaia gracilens. Изображение из обсуждаемой статьи в Biological Reviews (Simon, Caron, 2012)
Рис. 8. Реконструкция Pikaia gracilens, выполненная 3-D моделлером Е.Ю.Махневым.
Anomalocaris canadensis – вид ископаемых членистоногих из класса динокарид (Dinocarida). Обитали в морях, использовали для плавания гибкие боковые лопасти. Одни из самых крупных организмов, известных из кембрийских отложений: длина тела могла достигать 60 см и даже 2 м.
Останки аномалокариса длительное время не могли идентифицировать — впервые обнаружив его останки, учёные не могли понять, как же выглядел их обладатель. Когда в 1892 году были найдены его длинные ротовые придатки, палеонтологи решили, что они принадлежали какому-то примитивному представителю ракообразных. А обнаруженные в 1911 году части кольцевидного рта они приняли за останки древней медузы. И только в 1980-х годах стало ясно, что ротовые придатки и пластины рта принадлежали одному и тому же животному (рис. 9, 10).
Было показано, что древние аномалокарисы обладали отличным зрением, которое обеспечивала пара фасеточных глаз. Зоркость аномалокарисов обеспечена как минимум 16 тысячами гексагональных линз. Наличие столь сложных глаз у аномалокариса позволяет утверждать, что фасеточное зрение начало развиваться у членистоногих много раньше, чем считалось до сих пор. Примечательно, что, вероятно, по остроте зрения древний аномалокарис превосходил многих своих современных родственников. Так, для сравнения, количество линз в глазу мухи — около 4000, а в глазу муравья — около 100. Отмечается, что новые результаты, скорее всего, вызовут споры об эволюции экзоскелета — в частности, как эта эволюция соотносится с эволюцией самих глаз (Whittington, Briggs, 1985).
Рис. 9. а — Модель Anomalocaris canadensis (Whittington, Briggs, 1996), б — Модель Anomalocaris в National Dinosaur Museum, Canberra, Australia. (Википедия).
Рис. 10. Реконструкция Anomalocaris canadensis, выполненная 3-D моделлером Е.Ю.Махневым.
Hallucigenia sparsa – вид ископаемых беспозвоночных из класса Xenusia. Открыты английским палеонтологом Саймоном Конвей-Моррисом в 1977 году. Останки впервые найдены в сланцах Бёрджес. Далее галлюцигению находили в китайском Ченчане. Внешне похож на червяка с двумя рядами ходульных ножек и спинными шипами. Были предковой группой для современных онихофор и сестринской группой тихоходкам и членистоногим (Euarthropoda).
У галлюцигений вытянутая голова с простыми глазками (рис. 11-12), круг склеротизированных элементов в ротовой полости и игольчатые зубы в передней части пищеварительного тракта.
Рис. 11. а — Реконструкция (Marianne Collins в «Wonderful Life» Gould S.J. 1991), б — Фотография голотипа Hallucigenia sparsa (Smithsonian Institute), в — Реконструкция Hallucigenia sparsa палеоиллюстратора Марка Булея, взятая за основу для моделлирования.
Рис. 12. Реконструкция Hallucigenia sparsa, выполненная 3-D моделлером Е.Ю.Махневым.
Wiwaxia — род ископаемых мягкотелых чешуйчатых животных, известных только по окаменелостям, найденным впервые в канадских отложениях сланцев Бёрджес (там было обнаружено 140 экземпляров). Предполагаемое время жизни — с конца нижнего кембрия до среднего кембрия. Организмы в основном известны по рассеянным склеритам; сочленённые образцы, которые были найдены, имеют от 3,4 миллиметров (0,13 дюйма) до чуть более 50,8 мм (2 дюйма) в длину. Средний размер найденных останков — 30 мм. Внешний вид чем-то напоминает миниатюрного дикобраза с шипами и чешуёй. Шипы, как предполагается, служили для защиты. Впоследствии ископаемые останки этого животного были найдены по всему миру, что позволяет предположить, что виваксия была широко распространена в эпоху кембрийского периода.
Точное таксономическое родство рода является предметом продолжающихся дебатов среди палеонтологов.
Рис. 13. Реконструкция Wiwaxia
Рис. 14. Реконструкция Wiwaxia sp., выполненная 3-D моделлером Е.Ю.Махневым.
Печать
На базе Дарвиновского музея имеется свой собственный Fab Lab.
Фаблаб (Fab Lab) — это производственно-образовательная мастерская, где можно изготовить практически все. Основной задачей фаблаба является помочь инноваторам внедрять свои разработки от идей до создания прототипов, поиска маркетинговых решейи и создания инновационных продуктов.
Называется наша лаборатория ЦМИТ (Центр Молодежного Инновационного Творчества). Именно в ней располагается несколько замечательных новых 3D принтеров. Наиболее интересным и подходящим для печати наших моделей стал гипсовый принтер марки ZPrinter450.
Далее, чтобы не утомлять писаниной приведу процесс печати в фотосете.
Рис. 15. Процесс печати. а) принтер ZPrinter450 б) заполнение кроватки гипсом в) напечатано спустя пару часов, но не видно объект — надо очищать
Рис. 16. Процесс очистки. а) очищаю пылесосом лишний гипс б) что-то вырисовывается)
Рис. 17. Пропитка. а) образец пропитывается раствором для крепости б) автор с готовой Opabinia в) сделали для нее подставку на резаке
Спустя несколько часов печати и пропитки наш «суповой набор фауны Сланцев Берджесс» готов!
Рис. 18. а) Pikaia gracilens б) Anomalocaris sp.
Рис. 19. а) Hallucigenia sparsa б) Wiwaxia sp.
Собственно, это была наша «первая проба» пера печати моделей ископаемых животных на 3D принтере. Сейчас мы работает над цветом моделей и создаем роботизированную модель древнего членистоногого, напечатанную на другом принтере (печатающим пластиком). Но об этом в следующей заметке.
Литература
Gould, Stephen Jay. Wonderful Life: Burgess Shale and the Nature of History, Vintage, 2000
Hutchinson, G.E. 1930. Restudy of some Burgess Shale fossils. Proceedings of the U.S. National Museum, 78: 1-11.
Conway Morris, S.; Caron, J. B. (2012) «Pikaia gracilens Walcott, a stem-group chordate from the Middle Cambrian of British Columbia». Biological Reviews 87: 480-512.
Whittington HB, Briggs DEG (1985) The largest Cambrian animal Anomalocaris, Burgess Shale, British Columbia. Philos T RoySoc B 390:569 – 609
Zhang, X., Briggs, D. E. G. (2007). The nature and significance of the appendages of Opabinia from the Middle Cambrian Burgess Shale. Lethaia 40, 161—173.
Материалы wikipedia.org
