Цифровая палеонтология: как информационные технологии помогают изучать динозавров
Палеонтология изучает то, чего нет: живые организмы далёкого прошлого, давно исчезнувшие экосистемы. Причём давность в палеонтологии измеряется не месяцами и годами, а тысячами, миллионами, а то и миллиардами лет. Но хотя взгляд палеонтологов устремлён в прошлое, сами учёные держат руку на пульсе настоящего. 
Часто палеонтолога представляют как Алана Гранта из «Парка юрского периода»: этаким дядькой в широкополой шляпе, который выдалбливает кость динозавра из скалы где-нибудь в монгольской пустыне. И хотя раскопки никуда не делись, но огромная часть работы сейчас проводится в лабораториях, за компьютером. Поэтому сегодня поговорим о том, как информационные технологии помогают палеонтологам ещё эффективнее изучать динозавров и других вымерших животных.
Откапываем и препарируем: 3D-сканирование и печать
Пойдём по порядку — от того момента, когда ископаемое ещё в земле. Для начала сегодня можно зафиксировать точные координаты находки при помощи GPS. Это нужно, например, если окаменелость слишком крупная, чтобы вывезти её прямо сейчас, и нужно вернуться к ней в следующем сезоне. В истории палеонтологии есть немало эпизодов, когда в путевых дневниках Эндрюса или Ефремова от начала или середины XX века упоминаются виднеющиеся из породы целые черепа динозавров. Но по разным причинам авторы дневников не сумели вывезти эти образцы. Вернуться за ними в другое время тоже не получилось, а записи настолько туманные, что современные палеонтологи так и не сумели найти описанные места. И бесценные находки так и остались медленно разрушаться от эрозии.
Бывает и другая ситуация: когда находку в принципе нельзя вывезти. К примеру, это национальный парк, и там нельзя трогать горные породы от слова совсем. Или это следовая дорожка длиной метров пятьдесят, и её нельзя просто так взять и вырезать из скалы. Или сами окаменелости слишком большие, как это получилось у американского палеонтолога Николаса Пайенсона. Его команда обнаружила в Чили целое кладбище ископаемых китов — несколько десятков полных скелетов. К тому же эти скелеты нашлись только потому, что в том месте велись дорожные работы, и компания-подрядчик дала учёным всего несколько недель на изучение окаменелостей. Затем в этом месте должны были проложить шоссе.
И если нельзя вывезти саму окаменелость, можно сохранить её скан. Команда Пайенсона применила портативные 3D-сканеры и отсканировала все скелеты на месте, чтобы потом изучить их во всех деталях в лаборатории.
Сканирование китовых костей. Источник здесь.
Особенно удобно, что сканы потом можно распечатать на 3D-принтере в любом масштабе, раскрасить как угодно и использовать, например, для обучения студентов:
Распечатанный на 3D-принтере скелет кита. Источник здесь.
Но даже если окаменелость вполне себе транспортабельная и уже находится в музейной коллекции, всё равно отсканировать её будет не лишним. В науке очень важна проверяемость данных. И в любой научной статье, в которой приводятся какие-либо измерения, обязательно указано, какой именно экземпляр измеряли. Например, типовой экземпляр тираннозавра рекса имеет каталожный номер CM 9380, где CM означает Carnegie Museum, музей Карнеги в Питтсбурге.
А теперь представим, что учёный делает работу по тираннозавридам (семейству хищных динозавров, к которому относится тирекс), и ему нужно изучить скелеты нескольких представителей. Смотрим: голотип тираннозавра находится в Питтсбурге, тарбозавра — в Москве, чжучэнтиранна — в китайском Чжучэне. Объехать все музеи долго и дорого, гораздо удобнее открыть скан окаменелости (если он есть) и померить нужные размеры самостоятельно.
Голотип тарбозавра в московском палеонтологическом музее. Трёхлетний Homo sapiens для масштаба.
Поэтому сейчас есть тренд на цифровизацию музейных коллекций, и все крупные музеи стараются максимально перевести свои коллекции в цифровой вид. Подробнее о 3D-сканировании, томографии и печати можно прочитать в этом посте.
Определяем и классифицируем: статистические методы и построение кладограмм
После того как кости изучили со всех сторон, описали все признаки, возникает вопрос: что, собственно, перед нами такое? Где должна располагаться наша находка на генеалогическом древе жизни? Это новый род, вид или представитель ранее описанных таксонов? Если новый род, то к какому семейству он относится?
Чтобы ответить на эти вопросы, используется филогенетический анализ. Учёные создают матрицу признаков, а потом проверяют, с каким из ранее описанных видов найдётся больше всего совпадений. Если совпадение полное, значит, это один и тот же вид. Если различия небольшие, то один и тот же род, и так далее.
Опять-таки — раньше эту работу делали вручную, заполняя таблички и сравнивая их на бумаге или в экселе. Проблема в том, что если у вас десяток видов, и вы сравниваете десяток признаков, то количество возможных филогенетических деревьев вырастает экспоненциально. А если признаков ещё больше? Например, Томас Карр в своей статье об особенностях роста тираннозавра рассмотрел 1850 признаков. К счастью, существует специальный софт, который за считаные минуты делает то, что раньше занимало недели.
В результате получаются вот такие генеалогические деревья:
Авторы пишут, что это выборка на основе 1640 наиболее оптимальных деревьев (most parsimonious trees). Вручную такое количество данных перелопатить нереально.
Знать, кто кому родственник — полезно, потому что это позволяет делать выводы о строении образе жизни и т. п. На родстве основан так называемый филогенетический брекетинг (или филогенетические скобки). Суть метода в том, что если у нас есть вопрос о каком-то ископаемом виде, то нужно посмотреть на его более и менее примитивных родственников. Классический пример: динозавры находятся примерно между крокодилами и птицами. И те и другие несут яйца. Так что, даже если бы мы не нашли скорлупы яиц динозавров, то можно было бы довольно уверенно сказать, что динозавры тоже несли яйца. То же самое, например, с цветным зрением. У крокодилов оно цветное, у птиц тоже. Значит, и у динозавров наверняка было цветное.
Рекомендуем также поизучать интерактивное древо всей жизни:
Древо жизни на сайте
Изучаем: метод конечных элементов, расчёты плавучести
Когда кости описаны, отсканированы и классифицированы, можно начать изучать их по-настоящему. То есть попытаться выяснить, каким было наше животное. Как быстро оно бегало, как питалось, как защищалось от хищников — словом, как жило. И тут, конечно, компьютерное моделирование открыло палеонтологам новые горизонты.
Например, если смоделировать скелет динозавра, позвонок за позвонком, можно выяснить диапазон его гибкости:
На основании рубцов для крепления мышц можно оценить размеры мускулатуры животного, а значит — понять, насколько быстрым и сильным оно было:
Визуализация мускулатуры зауропод.
Метод конечных элементов, который активно применяется в механике, электродинамике и архитектуре, нашёл применение и в палеонтологии.
Вот, например, визуализация нагрузок, возникающих при столкновении автомобиля с препятствием:
Источник здесь.
И ровно по такому же принципу палеонтологи изучили распределение нагрузки на черепа различных хищных динозавров при укусе:
Оказалось, череп тирекса выдерживал самые большие нагрузки среди всех хищных динозавров. Да и в целом его укус был мощнейшим среди наземных хищников всех времён. А узнать это помог метод конечных элементов.
В 2018 году канадский учёный Дональд Хендерсон провёл остроумное исследование, в котором изучил плавучесть разных видов динозавров.
Его целью был конкретный динозавр — спинозавр —, но для сравнения он рассмотрел и другие виды:
Опять-таки за основу для исследования были взяты компьютерные модели животных. Исследование показало, что спинозавр был не более и не менее плавучим, чем другие хищные динозавры. То есть гипотеза о том, что это был специализированный водный хищник, не подтвердилась (следует отметить, что на тот момент времени у спинозавра не был найден тритонообразный хвост).
Визуализируем
После того как мы узнали о животном всё что можно, мы можем представить себе, как он выглядел при жизни. И изобразить его. Тут, конечно, современные технологии тоже помогают.
Первые изображения доисторических животных — палеоарт — создавались традиционными способами: акварелью, маслом, карандашом.
Вот, например, американский художник Чарльз Найт делает скульптуру стегозавра, чтобы потом достовернее изобразить освещение на своей картине:
Источник здесь.
Итоговая картина:
В 1993 году вышел «Парк юрского периода», породивший пять сиквелов, ни один из которых не смог превзойти оригинал. И хотя «Парк» запомнился всем как фильм о динозаврах, собственно динозавры там появляются всего на 14 минут, из которых 4–5 минут — компьютерная графика.
Но эти минуты изменили всё. Стало ясно, что при правильном использовании CGI позволяет показать вымерших животных так правдоподобно, как ещё никогда не было возможно.
С одной стороны, это породило бум CGI ради CGI, когда даже книги стали иллюстрировать бесплатными стоковыми картинками, на которые невозможно смотреть без слёз:
Этот стоковый тирекс появлялся, наверное, в десятках книг
Но зато когда за дело берутся настоящие мастера, получаются шедевры. Вот, например, работа художника Дамира Мартина:
Всем интересующимся 3D-графикой настоятельно рекомендуем ознакомиться с историей этой работы. Автор во всех подробностях расписал, какой софт использовал, какие плагины, какие шейдеры, где брал референсы и т. п.
Конечно же, нельзя не вспомнить свежее произведение на тему динозавров — «Доисторическую планету». В ней дорогая анимация от студии, рисовавшей «Короля льва» сочетается с вниманием к деталям и консультациями ведущих палеонтологов мира. С точки зрения визуала результат поразительный.
Кадр без кожи:
… и он же, но с наложением всех текстур и постобработкой:
А вот создание мононика:
Обратите внимание, что аниматоры постоянно сверяются с реконструкцией скелета и обликом современного животного (совы).
Рассказываем: базы данных и обмен информацией
И вот мы изучили животное, мы представляем, как оно жило и как выглядело. Теперь нужно описать полученные результаты в статье. И тут, как и многие другие отрасли науки, палеонтология сильно выиграла от появления интернета. Ещё 25–30 лет назад, чтобы найти нужную научную статью, нужно было идти в библиотеку и перелистывать тяжёлые сборники статей. Нередко оказывалось, что в ближайшей библиотеке нужной статьи нет, и её нужно заказывать из другой библиотеки, а потом несколько дней ждать, пока пришлют фотокопию статьи. Причём после всего ожидания вполне могло оказаться, что статья на самом деле тебе не пригодится, потому что в ней нет нужных данных.
А ведь для работы учёным нужно перелопатить колоссальное количество информации! Вот, например, в июле вышла статья с описанием мераксеса, нового хищного динозавра из Патагонии. И в ней 63 ссылки на источники. В бумажном виде искать всё это было бы очень долго.
Сегодня, разумеется, всё гораздо проще. У всех научных статей есть электронная версия, так что теперь их можно находить гораздо быстрее. Можно просто гуглить, но есть и специализированные поисковые сервисы для научных статей: Академия Google, Scopus, Web of Science или русскоязычные Киберленинка и elibrary.ru.
Всё это сильно облегчает задачу. Даже если сама статья доступна только за деньги, всегда можно воспользоваться sci_hub (отчасти, это пиратство), найти контакты автора, написать ему на email и попросить pdf-ку статьи.
Опять же, социальные сети позволяют учёным всего мира общаться друг с другом, и сегодня регулярно выходят научные статьи, являющиеся плодом сотрудничества учёных из нескольких стран.
Заключение
Палеонтология занимается изучением прошлого, но палеонтологам не чужды самые современные IT-технологии. Благодаря им — мы изучаем древний мир быстрее и эффективнее, чем когда-либо. Не зря палеонтолог Стивен Брусатти называет начало XXI столетия золотым веком палеонтологии.
