Ранком листопада 2011 американський палеонтолог Ніколас Піенсон проводжав очима навантажені рудою самоскиди, з ревом проносяться по ділянці Панамериканського шосе між шахтами в пустелі Атакама і чилійським портовим містечком Кальдера. Перед ним стелився 250-метрова ділянка пісковика, розчищений для прокладки нових шосейних смуг. Втім, не зовсім простий ділянку.
Піенсон, завідувач відділом морських копалин ссавців Смітсонівського інституту, більшу частину свого робочого часу проводить в пошуках останків древніх китоподібних. Протягом останнього року його чилійський колега Маріо Суарес запрошував Піенсона приїхати, щоб подивитися на скам'янілості, поступово оголюються під час робіт з розширення трансконтинентального шосе. Піенсон вже бачив кілька фрагментів черепа, викопаних при цих роботах, - їх цінність виявилася невисока. І ось нарешті, перебуваючи в Чилі в інших справах, Піенсон погодився завітати до Суаресу. Тепер, стоячи на узбіччі, він зрозумів, чому колега був такий наполегливий: дорожні робітники витягли на світ не просто кілька кутових кісток, а буквально ціле китові кладовищі. Перед дослідником стелилися скелети принаймні сорока доісторичних китів, причому деякі з них досягали десятиметрової довжини. Знахідка обіцяла стати найбільшою в світі колекцією китових останків.
Фахівці Смітсонівського інституту оцифровує збори експонатів для подальших досліджень; для цього використовуються лазерні сканери, наприклад, Surphaser (фото праворуч). На фотографії зліва Вінсент Россі, фахівець-лазерники, оцінює якість копій, виготовлених на 3D-принтері, - відразу виділяються мініатюрний скелет мастодонта і посмертна маска Авраама Лінкольна.
Щоб розібратися в причинах загибелі кальдерскіх китів, потрібні серйозні часові та фінансові ресурси. Палеонтологічний експедиція повинна попередньо задокументувати кожну знахідку, не витягуючи її з землі, - так скелети можна співвіднести з навколишнім оточенням, з середовищем, в якій кити знайшли свою смерть. Але в даному випадку у дослідників просто не було часу для всіх необхідних процедур, оскільки кладовище розташувалося в самій гущі будівельних робіт. На все про все міська влада Кальдери виділили палеонтологам один місяць.
І Піенсон знайшов рішення, причому не локальне, а здатне вплинути на майбутнє всієї палеонтології як науки. Він відправився додому, в Вашингтон, і через два тижні повернувся з Вінсентом Россі і Адамом Металло, двома молодими науковцями, які працюють в Смітсонівському інституті з тривимірною оцифруванням експонатів. Замість лопат, совків та гіпсу для зліпків вони привезли на будмайданчик лазерні сканери і відеокамери.
«Лазерні ковбої», як назвав їх Піенсон, встановили над майданчиком тенти і протягом шести днів по 20 годин на добу працювали, фіксуючи мільярди пікселів графічної інформації. Повернувшись в інститут, Піенсон з колегами на базі отриманих даних відтворили місце розкопок в цифровому вигляді. Тепер вони могли скільки завгодно працювати на віртуальному кладовищі в пошуках причини загибелі китів. Більш того, у них з'явилася нова можливість ділитися інформацією, розкриваючи високоякісні тривимірні копії копалин. Зокрема, Смітсонівський інститут анонсував виставку, на якій буде представлено десятиметровий скелет одного з китів, похованих в Кальдере. Експозиція буде організована в Національному музеї природної історії, і це буде найбільший в світі об'єкт такого роду, виготовлений на 3D-принтері.
Крім палеонтологічної цінності, майбутня експозиція розповість публіці про те, як успіхи цифрових технологій змінюють життя і в сфері науки, і за її межами. Можливість максимально точно зберігати інформацію завжди була важлива для вчених, будь то креслення, ескізи або фотографії, але нова технологія дозволяє зберігати докладну інформацію для подальшого її відтворення в обсязі! Лазерне сканування дасть Смітсонівському інституту можливість виставляти для широкої публіки особливо цінні експонати з колекцій різних музеїв. Зокрема, в 2013 році «лазерні ковбої» запустили амбітну програму - вони вирішили створити бібліотеку сканів з високою роздільною здатністю всіх експонатів музеїв Смітсонівського інституту (в тому числі кутових кісток, досліджених Піенсоном). Планується, що бібліотека буде доступна в онлайн-режимі, причому абсолютно безкоштовно.
На фото: 1. В руках у вченого зліва - лазер з високою роздільною здатністю. Ручне макросканірованіе дозволяє фіксувати деталі розміром до міліметра. 2. Фахівці працюють на розкопі по 20 годин на добу і постійно потребують стабільному висвітленні, тому зверху натягується тент. 3. Останки кита. Викопні рештки спочивали тут мільйони років. 4. На задньому плані - керівник експедиції Ніколас Піенсон переглядає дані на своєму ноутбуці. 5. Справа на штативі - лазерний сканер середнього радіусу дії. Розташування окремих скелетів допоможе розібратися в причинах загибелі цих тварин.
еволюція методів
Методика сканування і 3D-друку в палеонтології - це логічний розвиток 350-річної традиції створення наочних посібників. Ще в 1660-х датський анатом Нільс Стенсон вразив вчених тодішньої Європи, опублікувавши зображення трикутних мінеральних утворень ( «мовних каменів») поряд з зубами акул. При порівнянні відразу ставало зрозуміло, що камені були скам'янілі акулячі зуби.
Згодом палеонтологи азартно хапалися за будь-які нові технічні засоби, здатні допомогти наочному відображенню їх досліджень, - від гравіювання на мідних пластинах до кольорової фотографії. Втім, двовимірне подання інформації в будь-якому випадку не може бути повним, і для повноцінного вивчення зразків палеонтологам доводилося їздити з музею в музей.
У найближчі місяці Смітсонівський інститут планує представити широкій публіці десятиметровий скелет кита з розкопок в Кальдере. Це буде найбільший в світі об'єкт подібного типу, виготовлений на 3D-принтері.
В кінці 1990-х Тім Роу, палеонтолог з Техаського університету, ввів в практику новий спосіб обстеження викопних зразків - за допомогою рентгена. Роу вивчав кістки за допомогою комп'ютерного томографа та отримував подобу тривимірної картини. Томограф міг до певної міри зазирнути всередину обследуемой скам'янілості, відображаючи внутрішні порожнини і інші приховані анатомічні особливості.
Тривимірне сканування скам'янілостей відкриває нові можливості для розуміння того, як жили вимерлі тварини. Так, Ларрі Уітмер і його колеги з Університету штату Огайо за допомогою сканів зуміли отримати досить чітке уявлення про те, як рухалися динозаври; досліджуючи останки аллозавра, вони змогли зрозуміти, яким чином він вбивав свою здобич. Дослідження вчені почали з того, що відсканували 1,5-метровий череп і шийні кістки аллозавра (зразки були взяті з скам'янілостей віком близько 150 млн років). Потім зіставили виступи і поглиблення на кістках в тих місцях, де колись до них кріпилися м'язи та сухожилля, з аналогами, наявними у сучасних родичів аллозавра - алігаторів і птахів. Завдяки цьому команда Уітмера змогла приблизно оцінити розміри і форму фрагментів м'яких тканин, а потім, використовуючи інженерні програми, розрахувала, які сили могли генерувати м'язи динозавра і як вони приводили в рух елементи скелета.
За підсумками досліджень вчені створили анімаційну симуляцію руху аллозавра. Виявилося, що аллозавр мав відмінну від інших хижаків тієї епохи анатомію: потужна м'яз, простягнута від шиї до голови, дозволяла розвивати величезні зусилля в вертикальному напрямку, в той час як тиранозавр, наприклад, міг розвивати значні зусилля у напрямку з боку в бік - жертву він добивав, різко киваючи головою. У комп'ютерній симуляції Уітмера аллозавр рухається інакше. Це більше схоже на те, як яструб поїдає миша-полівку: птах напружує шийні м'язи, закидаючи голову і розриваючи жертву на шматки.
Але повернемося до Піенсону. Один-єдиний викопний зразок може розповісти дуже багато, молодий же палеонтолог припустив, що у випадку з китовим кладовищем тривимірна візуалізація допоможе відновленню цілої екосистеми. Під пологом низькою, довгою намети, яку Піенсон з колегами натягнули над розкопками, Россі і Металло відзняли все елементи кладовища за допомогою звичайного фотоапарата Canon 5D. Потім, користуючись ручним лазером, вони відсканували кожен скелет окремо.
Для того, щоб відсканувати китові поховання, Піенсон звернувся до фахівців лазерники.
Повернувшись в інститут, дослідники приступили до відновлення загальної картини на підставі отриманих даних. Спершу вони обробили HD-скани окремих скелетів, а потім, поєднавши їх з фотографіями, отримали тривимірну картину всього розкопу. У деяких особливо важливих місцях точність тривимірної моделі становила менше 1 мм! У процесі аналізу результатів вчені виділили серед китових останків кістки інших великих тварин - талассокнусов ( «морських лінивців), риб-мечів і тюленів. Ось і питання для вченого - як сюди потрапили всі ці істоти?
таємниця кладовища
Чим довше Піенсон вдивлявся в схему розташування кісток, тим більше вона нагадувала йому бійню, і поступово дослідник почав відчувати себе не стільки палеонтологом, скільки криміналістом. «Якби ми не звернулися до нової технології, - говорить Піенсон, - ми залишилися б просто з підозрами про те, що тут колись сталася трагедія, але, отримавши тривимірні скани, ми змогли просунутися незрівнянно далі».
лазерний сканер
Піенсон з колегами почали досліджувати «докази». В першу чергу вони відзначили, що скелети знаходяться у відмінній цілісності, тобто тварини піддавалися нападам хижаків або роботі падальщиков. По-друге, серед останків виділялися три кити одного і того ж виду, притулившись один до одного - можливо, сім'я, яка загинула в один момент. По-третє, Піенсон зазначив, що останки покладені в чотири окремих шару, один поверх іншого, і загальна висота шарів становить 9 м. Це свідчило про те, що значна кількість великих тварин гинуло в цьому місці послідовно протягом приблизно 14? 000 років - десь від 6 до 9 млн років тому. Ключ же до всієї загадці виявився практично на поверхні: Піенсон з колегами відзначили, що скам'янілості покриті щільною шкірою водоростей. «Кількість можливих пояснень різко звузилося, - розповідає Піенсон. - Все звелося до червоних припливів ».
Справа в тому, що час від часу в океані починається взривоподібний розмноження певних видів фітопланктону (зазвичай - дінофлагелляти). Водорості, крім фотосинтетических пігментів, виробляють отруйні речовини, які призводять до масової загибелі риби та морських ссавців. Науці практично невідомі випадки, коли від червоних припливів гинули китоподібні, але рідкісні спостереження подібних інцидентів малюють саме таку картину, яку вчені спостерігали на тривимірних сканах з Кальдери. Червоні припливи часто повторюються в одних і тих же місцях, що і може служити поясненням багатошаровому характеру поховань.
Для поширення 3D-технологій Смітсонівський інститут планує організувати спеціальні інтернет-портали з можливістю всебічного вивчення цифрових моделей з точністю до міліметра. А Россі і Металло, «лазерні ковбої», перетворять колекції Смітсонівського інституту в тривимірні цифрові образи. Новий підхід обіцяє стати гарною підмогою в багатьох галузях знань: мистецтвознавці зможуть вивчати античні скульптури, а історики - розшифровувати написи на стародавніх артефактах. В рамках пілотного проекту Россі і Металло за допомогою лазерів відсканували крихкий череп зубастого кита, якого досліджував Піенсон, а також скелет шерстистого мамонта, виставлений в експозиції Національного музею природної історії.
«Стіни музеїв стануть прозорими, - каже Піенсон про можливості 3D-моделювання експонатів. - Важко передбачити, що буде, коли рідкості потраплять в руки будь-якому охочому - для досліджень, вивчення або копіювання. Майбутнє непередбачуване, але воно напевно прекрасно ».
Стаття «Художники по кістки» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №7, Грудень 2014 ).
Ось і питання для вченого - як сюди потрапили всі ці істоти?Це свідчило про те, що значна кількість великих тварин гинуло в цьому місці послідовно протягом приблизно 14?
