Доисторическая симфония: как «разговаривали» динозавры22.01.2022 09:48

Мир, ушедший в прошлое десятки миллионов лет назад, оставался для нас безмолвным. И нетрудно понять почему. Все, что нам досталось от фауны юрского или мелового периодов, это окаменевшие останки костей, в лучшем случае — полные скелеты. Мягкие ткани фоссилизации не подвержены, и никто никогда не видел желудка, легких, глаз, кровеносных сосудов, мышц какого-нибудь карнотавра или цератозавра. Все это в равной степени касается голосовых связок, гортанных мешков и других некостных структур, которые позволяли древним животным издавать звуки. Но было бы странным, если бы наука не пыталась найти подходы к решению проблемы и все-таки заставить доисторическое прошлое «заговорить».

Как известно, голос — это звуковые колебания, образующиеся при прохождении выдыхаемого воздуха через голосовой аппарат. В зависимости от свойств резонаторов они приобретают особый тембр. В качестве резонаторов выступают полости, образуемые костями и мягкими тканями. Чтобы попытаться представить себе, как могли звучать крики ископаемых животных, нам надо знать, что являлось источником колебаний и каковы были свойства резонаторов. Точно так же, если мы хотим смоделировать звук музыкального инструмента, например гитары, придется учесть такие факторы, как материал, длина и толщина струн, форма и размер резонаторного ящика, свойства дерева, из которого изготовлен инструмент, и лака, которым он покрыт.

Симфония криков

Обучавшаяся в Лондоне французская художница Маргрит Умо решила построить роботизированный аналог речевого аппарата афарского австралопитека Люси. Изучая биомедицинскую сторону вопроса, француженка проконсультировалась с доктором Мартином Берчэллом, одним из немногих хирургов в мире, успешно пересадивших гортань. Как рассказал доктор, пациентка, перенесшая операцию, не заговорила голосом донора, а, что удивительно, сохранила свой собственный. Все это означало, что тембр голоса зависит прежде всего от физических параметров потока воздуха, поступающего из легких, и от полостей, выступающих в качестве резонаторов. Следующим шагом стала модель голосового аппарата мамонта. Здесь задача оказалась несколько легче: от мамонтов до нас дошли не только кости, но и мягкие ткани, а кроме того, для изучения доступен голосовой аппарат близкородственных мамонтам слонов. «Речевые роботы» Маргрит Умо (на фото) теперь экспонируются в музеях, например в Музее современного искусства в Нью-Йорке. На основе голосов доисторического мира художница создает своеобразные музыкально-«речевые» композиции. Такую композицию вы сможете услышать на одной из приведенных в статье сонограмм. Другая сонограмма говорит голосом паразауролофа, как его (голос) реконструировали специалисты лаборатории Sandia.

Если говорить о динозаврах, то для палеонтологов, имеющих в распоряжении в лучшем случае окаменевший череп животного, многое остается неизвестным: наличие и свойства голосовых связок, размещение мягких тканей, да и строение самого черепа. Ведь окаменелость — это не кость, а кусок породы, в котором отсутствует биологический материал. Подходы к решению загадки голоса динозавров наметились примерно 20 лет назад, в середине 1990-х. Во-первых, появились первые возможности детального исследования структуры окаменелостей неразрушающим методом — с помощью компьютерной рентгеновской томографии. Во-вторых, родилась идея реконструкции мягких тканей доисторических ящеров по аналогии с их ближайшими родственниками — крокодилами — и их непосредственными потомками — птицами. Большой вклад в эти исследования внес, в частности, доктор Ларри Уитмер и возглавляемая им лаборатория в Университете штата Огайо.

Компьютерная томография — это технология, позволяющая создавать послойную картинку внутренней структуры объекта. Метод основан на измерении и программной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности тканями или материалами. Ларри Уитмер подвергал сканированию как окаменевшие черепа динозавров, так и головы ныне существующих птиц и крокодилов. Во-первых, удалось создать более точную картину строения черепов динозавров. В этих черепах могли находиться скрытые полости, которые в процессе фоссилизации заполнялись, например, песком. С помощью рентгеновской томографии ученые смогли увидеть очертания этих полостей, выделив их из общего массива окаменелости. Во-вторых, созданные на базе послойной съемки 3D-модели позволили более точно выявить анатомические соответствия в строении голов динозавров, крокодилов и птиц. И если удавалось определить, что такая-то структура из мягкой ткани оставляла такой-то след на кости или соответствовала такому-то строению элемента черепа у современных животных, то установленная связь давала возможность, изучая черепа динозавров, «наращивать» на них мягкие ткани.

Тем же путем шли сотрудники национальной лаборатории Sandia и Музея естественной истории и науки штата Нью-Мексико. Вообще-то лаборатория Sandia известна совсем не палеонтологическими изысканиями — ее история восходит к Манхэттенскому проекту, и это одна из нескольких национальных лабораторий Департамента энергетики США. Иными словами, специализация работающих там исследователей — ядерное оружие и все, что с ним связано. Но после того, как в 1995 году был найден окаменевший и неплохо сохранившийся череп паразауролофа — одного из так называемых утконосых динозавров, — в стенах Sandia стартовал проект по изучению находки. За дело взялись палеонтолог Том Уильямсон и программист Карл Дигерт. Череп имел своеобразную форму: на затылке помещался длинный трубчатый гребень, с его учетом общая длина окаменелости составляла примерно 140 см. Предполагалось, что гребень не был простым украшением: возникла гипотеза, что этот конструктивный элемент черепа служил резонатором, с помощью которого динозавр мог издавать громкие звуки переменной высоты. Ученые прибегли к компьютерной рентгеновской томографии — это технология использовалась в Sandia для проверки структурной целостности оболочек ядерных боеприпасов и элементов конструкции стратегических бомбардировщиков. Удалось выяснить, что в гребне действительно находились трубчатые полости довольно сложной формы — они образовывали нечто вроде кулисы тромбона. Кроме того, исследователями была выполнена работа по реконструкции недостающих частей черепа, в частности клюва и ноздрей, и мягких тканей, которые, естественно, не сохранились.

Итак, ученые пришли к выводу, что, закрывая носовые клапаны, паразауролоф перенаправлял выдыхаемый воздух в трубы на гребне, и раздавался звук. С помощью предоставленного Sandia программного обеспечения была предпринята попытка смоделировать звучание этого крика или зова. Поскольку так и не удалось установить, были ли у паразауролофа голосовые связки, его трубный глас синтезировали в двух вариантах. Так впервые, пусть в каком-то приближении, люди услышали звуки мира динозавров.

Люси — юный афарский австралопитек женского пола — жила 3 млн лет назад, однако то, что от нее осталось к моменту находки в 1974 году, давало палеоантропологам не так уж много информации. Были найдены несколько сотен мелких фрагментов скелета, в частности осколки черепа. О сохранности мягких тканей, конечно, не было и речи. Однако попытка «услышать» голос древнего предка человека все-таки предпринята была. Барт де Бур, сотрудник Свободного университета Брюсселя (Бельгия) решил смоделировать голосовой тракт австралопитека и выяснить, насколько членораздельными могли быть звуки, издаваемые этим существом. Модель состояла из нескольких пластиковых трубок разного сечения. Отдельной проблемой стало вероятное наличие у австралопитеков горловых (гортанных) мешков. Эти выпячивания слизистой гортани есть у многих животных, в том числе у человекообразных обезьян. Они играют роль дополнительных резонаторов, которые понижают тон звука и одновременно делают его громче. Эти органы помогают общаться с помощью примитивных звуковых сигналов на дальних расстояниях, но… по всей видимости, мешают членораздельной речи. Во всяком случае, уже у Гейдельбергского человека мешки отсутствуют, а к подъязычной кости, к которой они прикреплялись, теперь крепятся некоторые мышцы, в частности мышцы языка.

Эксперимент, поставленный де Буром, заключался в том, чтобы заставить модели голосового тракта Люси «произнести» гласные «а», «э» и «у» с применением имитаций горловых мешков и без них. Выяснилось, что горловые мешки значительно ухудшали восприятие на слух различия между гласными — все они звучали гулко, похоже на «у». Ученый также предположил, что австралопитеку было легче произносить гласный после согласного звука типа «д», так что, скорее всего, Люси общалась со своими сородичами с помощью слогов типа «ду-у».

Работы по воссозданию голосов исчезнувших с лица Земли существ неожиданно вдохновили молодого французского дизайнера Маргрит Умо, студентку Лондонского колледжа искусств. Другим источником ее вдохновения стали труды японского исследователя Хидеюки Савада, создавшего роботизированный аналог голосового аппарата человека. Маргрит Умо построила свою собственную модель голосового аппарата Люси с компрессором, выполняющим функции легких, и роботизированным управлением движениями гортани, языка, губ и т. д. Затем экспозицию работ Умо пополнил «говорящий мамонт» и другие древние существа. На основе их голосов художница создает музыкально-«речевые» композиции.

Также советуем почитать наши материалы о двигательном аппарате динозавров или о применении 3D-моделирования в палеонтологии.