Ожившие динозавры: как анимация и компьютерное моделирование помогают узнать больше о вымерших животных
Красивая, но большая гифка по ссылке
Сегодня при слове «динозавр» мало кто вспомнит классические работы палеоиллюстраторов начала XX века. Скорее всего, в памяти всплывут эффектные сцены из фильмов. Кто-то вспомнит погоню за джипом из первого «Парка юрского периода», кто-то — сражение тирекса и гиганотозавра из последнего «Мира», а кто-то — пушистых тираннозаврят из «Доисторической планеты».
Не все эти сцены одинаково реалистичны (например, сегодня никто уже не считает, что тираннозавр мог угнаться за джипом), но все они — результат кропотливого труда художников, аниматоров и режиссёров.
Впрочем, анимация и компьютерная графика нужны не только для создания художественных фильмов. Они пригождаются и в науке, для совершения настоящих открытий. Сегодня как раз и поговорим о том, как учёные изучают вымерших животных при помощи 3D-графики и анимации.
Моделирование ходьбы целофизиса
Начнём с динозавров. В 2021 году команда учёных под руководством Питера Бишопа провела компьютерное моделирование мышц пояса задних конечностей и хвоста целофизиса (Coelophysis bauri). И не просто провела, а реконструировала его походку. Целофизис — это древний теропод, который жил в Северной Америке и Южной Африке в конце триасового периода, больше 200 млн лет назад. Моделирование провели очень основательно, с реконструкцией всех основных мышц и созданием физической модели движения двуногого животного.
Модель дополнительно протестировали на современных нелетающих птицах на примере тинаму. Тинаму — это родственница страусов, живущая в Южной и Центральной Америке. Учёные заложили в свою модель 36 мышц пояса задних конечностей птички и сравнили, как бегает модель, а как — живая птица. Результаты оказались почти идентичными.
На рисунке зелёным цветом показан результат модели, а фиолетовым — результаты наблюдений за настоящими птицами:
Симуляция бега тинаму
То есть модель, которую предполагали использовать для того, чтобы и дальше описывать движения динозавров, хорошо предсказывает движения современных птиц:
Тогда учёные скорректировали свои данные и перенесли их на целофизиса. В итоге получилась походка динозавра в спокойном и бегущем состоянии. Интересно, что для эффективной и экономичной ходьбы динозавру нужны были не только ноги. Существенную помощь оказали движения хвоста из стороны в сторону. С одной стороны, довольно логично — при движении хвост и должен качаться. Но потом учёные рассчитали те же движения без учёта движений хвоста. То есть посмотрели, как бы динозавр двигался, если бы хвост был просто неподвижным противовесом. Оказалось, что активные движения хвостом в противофазе движению ног позволяют экономить на ходьбе практически 20% энергии! Так, 3D-моделирование показало, что хвост динозавров — отличный способ экономить энергию при ходьбе.
А вот и сам ролик с записью движений целофизиса:
А как же ти-рекс?
Разумеется, никакие исследования динозавров не обходятся без самого знаменитого из них — тираннозавра рекса. В 2021 году голландские учёные решили выяснить, с какой скоростью тираннозавр передвигался чаще всего. Для этого они создали компьютерную 3D-модель, за основу которой был взят скелет тираннозавра из Национального археологического музея в Лейдене.
В основу исследования палеонтологи заложили явление резонанса. У любого животного или человека есть своя оптимальная скорость передвижения. Дело в том, что центр тяжести при движении перемещается в ритме, определяемом особенностями распределения веса по частям тела. Так, даже для двух людей с разным телосложением этот ритм будет отличаться.
И животные, и люди невольно подстраивают скорость своей ходьбы под этот ритм, чтобы тратить как можно меньше энергии. Такая синхронизация называется резонансом и именно из-за неё идти медленнее, подстраиваясь под другого человека, намного сложнее, чем передвигаться с привычной скоростью.
Взяв за основу эту теорию, учёные создали трёхмерную модель тираннозавра на основе скелета из Национального археологического музея. Они смоделировали мышцы, внутренние органы и предположили, что длинный мускулистый хвост динозавра при ходьбе двигался вверх-вниз.
Анимация ходьбы тираннозавра с учётом резонирования хвоста демонстрирует более реалистичную и медленную походку, чем предполагалось раньше.
Видео: Rick Stikkelorum, Arthur Ulmann & Pasha van Bijler/Naturalis Biodiversity Centre:
Хвост состоит из позвонков, соединённых связками, он гибкий, и его раскачивание при ходьбе похоже на то, как качается подвесной мост. Таким образом, у хвоста тоже есть свой ритм, который влияет на общий резонанс движений тираннозавра, а следовательно — на скорость.
Рассчитанная с помощью биометрического анализа скорость в итоге оказалась намного ниже, чем в предыдущих исследованиях, в которых учитывались только движения ног, а хвост не принимался во внимание.
Между тем, хвост двуногих динозавров активно участвовал в ходьбе, и учёные рассчитали собственную частоту движений хвоста тираннозавра и соответствующую этому скорость ходьбы:
Реконструкция опорно-двигательного аппарата и биомеханическая модель, используемая для определения ритма движения хвоста тираннозавра. На рисунке: а) Полный скелет взрослой особи, включая мышечную реконструкцию хвоста (красный цвет) и остальную мускулатуру и мягкие ткани (синий цвет). b) Реконструкция межостистых связок позвоночника. c) Разделение хвоста на сегменты. d) Биомеханическая модель. Изображение: Pasha A. van Bijlert et al./Royal Society Open Science, 2021
По мнению нидерландских исследователей, тираннозавр передвигался со скоростью около 4,6 км/ч. Это меньше, чем 5 км/ч — скорости, с которой обычно идёт человек. Впрочем, речь не о максимальной скорости, а о так называемой preferred walking speed — предпочитаемой скорости ходьбы. Сегодня в мире нет двуногих животных весом в несколько тонн, у которых в движении участвует массивный хвост. Так что прямых аналогов тираннозавру подобрать сложно. Но, например, у страусов и слонов предпочитаемая скорость ходьбы составляет около 3,6 км/ч, а у лошадей — 4,5 км/ч. Средняя скорость человека же обычно считается 5 км/ч.
Так что от тираннозавра в спокойном состоянии человек вполне мог бы уйти. Главное, чтобы тирекс вас не заметил и не решил ускорить шаг.
Как закалялись динозавры?
Узнать, как передвигался тот или иной динозавр — это хорошо, но мало. Это просто один факт. А палеонтология, как и любая другая наука — не столько про факты, сколько про выводы, которые из этих фактов можно сделать. Про закономерности, тенденции, причины и следствия.
Именно этому посвящена статья, вышедшая в мае 2022 года. В ней международная команда учёных, которая проанализировала подвижность различных групп архозавров: крокодиломорфов, птерозавров и, конечно, динозавров.
Немного контекста. Мезозойскую эру часто называют эрой динозавров. Но на самом деле динозавры появились только во второй половине триасового периода и поначалу играли в экосистемах незначительную роль. Куда более многочисленными тогда были крокодиломорфы, для которых триасовый период стал временем настоящего расцвета. Тогдашние крокодилы совсем не походили на сегодняшних. Были быстрые сухопутные крокодилы, морские крокодилы, двуногие крокодилы, даже травоядные! Но к концу триасового периода (примерно 201 млн лет назад) случилось массовое вымирание, в результате которого большая часть крокодиломорфов вымерла, остались только привычные нам полуводные формы. Динозавры же выжили, заняли высвободившиеся экологические ниши, и начиная с юрского периода, стали господствовать на суше.
Почему крокодиломорфы вымерли, а динозавры — нет? Общепринятый ответ заключается в том, что динозавры более эффективно двигались.
У крокодилов ноги расставлены в стороны, а у динозавров расположены под телом, что позволяет им экономить энергию.
Слева — расставленные в стороны ноги крокодилов, посередине — вертикальная постановка конечностей динозавров и млекопитающих, справа — промежуточное состояние у рауизухий, родственников крокодилов
Звучит довольно логично: динозавры на своих прямых ногах быстрее бегали, медленнее уставали, легче догоняли добычу, а от хищников — наоборот, убегали. А если добавить ещё продвинутое «птичье» дыхание и быстрый метаболизм, то получается, что у крокодиломорфов не было шанса?
▍ Не совсем так…
Почти прямые ноги рауизухий оказались немногим менее эффективны, чем прямые ноги динозавров. Да и «классические» крокодилы при необходимости переходят на так называемую высокую походку, отрывают брюхо от земли и весьма бодро бегут.
Поэтому, чтобы уйти от философствований и абстрактных рассуждений, учёные решили посчитать эффективность ходьбы разных групп архозавров, в том числе с учётом исследований, о которых было сказано выше:
Результаты оказались неоднозначными. Динозавры не показали резкого преимущества в скорости передвижения по сравнению с другими архозаврами. Так что, скорее всего, свою роль сыграли все факторы: и метаболизм, и дыхание, и ноги.
Хотя Стивен Брусатти в своей книге «Время динозавров» и вовсе пишет, что динозаврами просто повезло.
Не динозаврами едиными
Разумеется, компьютерные модели можно применять не только к динозаврам. В 2022 году международная группа учёных из Великобритании, Южной Африки, США и Австралии изучила самую знаменитую ископаемую акулу — мегалодона (Otodus megalodon).
Проблема с ископаемыми акулами в том, что их скелет состоит в основном из хряща и очень плохо сохраняется в ископаемой летописи. По сути, от древних акул остаются только зубы. Тем не менее в Бельгии был описан экземпляр под каталожным номером IRSNB P 9893 — это цепочка из 141 тела позвонка мегалодона. Эти позвонки авторы и взяли за основу своей модели.
По сути, они взяли пропорции тела современной большой белой акулы (Carcharodon carcharias) и отмасштабировали таким образом, чтобы её хрящевой череп и позвоночник (хондрокраниум) соответствовали размеру позвонков из Бельгии и ранее описанных зубов из США.
Большая белая акула относится к семейству сельдевых акул, в котором сегодня насчитывается пять видов.
Для большей точности авторы доработали свою модель в Blender 2.80 так, чтобы она стала чем-то средним между всеми видами:
N-Q: итоговая модель мегалодона в разных видах
Затем модель импортировали в Meshlab и рассчитали её объём. Получилось 58.1 m3, что соответствует примерно 60 тоннам. Зная массу, можно вычислить примерную скорость движения акулы. Оказалось, что мегалодон был не только огромным, но и довольно быстрым: он плавал со скоростью 5 км/ч, быстрее всех современных родственников.
А огромная пасть позволяла за пару укусов расправляться практически с любой доступной тогда добычей, включая дельфинов и небольших китов. Так, параллельно с мегалодоном жил зубастый кит зигофизетер (Zygophyseter varolei), который занимал ту же экологическую нишу, что и современные косатки — то есть был высшим хищником. Вернее, высшим для всех, кроме мегалодона.
Миоценовый кит зигофизетер — гроза тунцов. Но для мегалодона он всего лишь добыча
Исходя из такого описания, авторы называют мегалодона «межокеанским суперхищником», чьими охотничьими угодьями был весь Мировой океан. А узнать это помогла 3D-модель.
Заключение
3D-моделирование и анимация всё больше проникает в науку и жизнь. По запросу «digital modelling dinosaurs» агрегатор научных статей Google Scholar выдаёт больше 300 статей только за 2022-й год.
Благодаря технологиям, сегодня можно узнать, с какой силой разгрызал кость тираннозавр, как быстро плыл спинозавр и какое давление оказывали на землю ноги диплодока. И чем дальше, тем больше открытий нас ожидает.
Telegram-канал и уютный чат для клиентов
