Компьютеры в палеонтологии

Светлана Шляхтина

Статистический анализ ДНК

Анализ биологических процессов

Создание виртуальных экспонатов

Исследование клеточных структур с помощью микроскопии

Создание трехмерных цифровых моделей ископаемых животных

Создание физических моделей ископаемых животных

Имитация перемещения

Воссоздание звуков

сли бы не компьютеры, многие очевидные истины так бы и считались в палеонтологии заблуждениями. От ископаемых организмов, в том числе и от гигантских ящеров, до наших дней доходят в лучшем случае отдельные окаменелые детали скелета — мягкие ткани не могут сохраняться на протяжении десятков и сотен миллионов лет. Случай, когда мягкие ткани мамонта сохранились в условиях вечной мерзлоты, благодаря чему облик и особенности поведения мамонтов перестали быть загадкой для ученых, является скорее исключением, чем правилом. Но это скорее исключение, чем правило, а вот разнообразным динозаврам, увы, не повезло, и долгие годы все изображения этих исполинов делались в значительной мере на основе человеческой фантазии. По большому счету то же касается и немногочисленных фильмов с участием доисторических животных: в кадрах даже последних блокбастеров, таких как «Парк юрского периода» (1 и 2), «Затерянный мир», «Динозавр» и «Прогулки с динозаврами», далеко не полностью отражен облик животных, существовавших в действительности. Правда, в данных фильмах сами фигуры ископаемых ящеров в основном соответствуют научным данным, поскольку создавались в тесном взаимодействии с палеонтологами и с использованием современных возможностей 3D-графики (рис. 1). В итоге палеонтологи оказались довольны, а Музей естественной истории в США даже использовал фильм «Прогулки с динозаврами» в качестве рекламы для привлечения посетителей. Что же касается окраса ящеров, особенностей их передвижения и поведения, а также издаваемых ими звуков, то все это и здесь лишь выдумка создателей фильмов.

Но вернемся непосредственно к проблемам палеонтологии. Без современной компьютерной техники сложности у палеонтологов возникают буквально на каждом шагу. Целые скелеты ископаемых организмов удается обнаружить весьма редко, и даже отдельные кости приходится собирать из фрагментов, а сами кости рассыпаются прямо на глазах и требуют крайне бережного обращения. Бывает, что экспонат собирают из костей большого количества животных, часто разных размеров и возрастов, при этом, если какая-либо из костей отсутствует, ее заменяют на аналогичную другого вида. Использование частей скелета от различных экземпляров животных — повсеместно принятая практика при сборке скелетов даже в настоящее время. В итоге палеонтологи, работающие над сборкой скелета, вынуждены импровизировать, и часто оказывается, что полученный скелет отнюдь не всегда точно соответствует жившему миллионы лет назад ископаемому животному. Еще сложнее затем воссоздать по скелету внешний облик доисторического существа, установить его окрас, сымитировать движения и издаваемые им звуки. В общем, все эти, да и многие другие проблемы, к примеру в области анализа и систематики, до сих пор палеонтологами решались вручную и, как правило, не очень удачно.

Сегодня ситуация кардинально изменилась: современные компьютерные технологии смогли взять на себя решение многих задач, появились даже термины «компьютерная зоология» и «компьютерная палеонтология». Подробнейшее конструктивное и функциональное изучение редких ископаемых объектов стало теперь возможным без необходимости их разрушения — не секрет, что многие методики приводят к порче образцов (например, при сканирующей микроскопии исследуемые образцы кости покрывают тонким слоем металла, а для анализа ДНК вообще перемалывают их в порошок). Благодаря компьютерам в музеях появилась вполне реальная возможность приступить к постепенной замене экспонатов их искусственными копиями, чтобы защитить хрупкие кости от губительного влияния атмосферного воздуха и влаги. Использование искусственных моделей — как компьютерных, так и физических — позволит ученым проводить разного рода дополнительные исследования, не опасаясь за сохранность экспонатов.

В настоящее время уже обычным стало применение в палеонтологии таких компьютерных методов, как сканирующая электронная микроскопия, позволяющая идеально рассмотреть поверхность исследуемого объекта; лазерное сканирование, используемое для построения трехмерных моделей; сравнение и статистический анализ полученных результатов и анализ баз данных, а в последние годы появились (правда, пока единичные) примеры и более широкого использования компьютерной техники для создания физических моделей ископаемых организмов.

Статистический анализ ДНК

Новые методы анализа ископаемых останков дают новые ключи к пониманию процессов эволюции и выявлению предков современных животных. Это осуществляется на основе анализа ДНК — наследуемого материала, содержащегося в клетках древних и современных животных. А недавно ученые пришли к выводу, что, исследуя ДНК на предмет цепочек, кодирующих пигмент, можно определить цвет кожи давно вымерших животных. В частности, анализируя на компьютере последовательности ДНК 30 различных современных животных, ученым удалось реконструировать пигмент предков современных рептилий — архозавров.

Сравнивать и анализировать многочисленные цепочки ДНК вручную — занятие крайне неблагодарное, которое может занять месяцы работы целой лаборатории (вспомните, например, задачу по подбору забытого пароля к архиву). Сопоставлять цепочки ДНК ископаемого приходится с аналогичными цепочками различных современных животных, а компьютерные методы позволяют сделать это за считанные минуты. Сегодня для сравнения генов, поиска повторяющихся цепочек в ДНК и прочего написано немало программ — можно воспользоваться, в частности, программами для поиска ДНК повторов: REPuter (http://www.genomes.de/) или Tandem Repeats Finder (http://tandem.biomath.mssm.edu/trf/trf.download.html), а при желании даже проанализировать последовательности ДНК прямо в онлайне: http://wwwmgs.bionet.nsc.ru/Programs/OligoRep/.

Анализ биологических процессов

Описательная палеонтология, а затем и молекулярная палеобиология накопили к настоящему моменту такие гигантские массивы данных, что упорядочить их без современной компьютерной базы попросту невозможно. Проанализировать вручную все закономерности в биосфере Земли за сотни миллионов лет и ни разу при этом не ошибиться — задача нереальная, и потому противоречивых мнений относительно отдельных этапов эволюции более чем достаточно.

Возможности использования баз данных по ископаемым окаменелостям и их компьютерной обработки свели на нет многие разногласия. Например, 2000 год ознаменовался официальным заявлением палеонтолога Энни Уайл о том, что восстановление биосферы Земли после глобальных экологических катастроф всегда происходило за один и тот же срок — 10 млн. лет, независимо от того, вымерло ли 96% или только 10% видов. Сделать этот вывод помогла специально написанная компьютерная программа, анализирующая с помощью обычных математических алгоритмов, ранее использовавшихся только в геологии и астрофизике, момент появления и исчезновения каждого вида морских животных, имеющих твердую раковину, за последние 530 млн. лет истории Земли.

Различных баз данных и программ для их целенаправленного анализа создано уже немало: российские зоологи и палеонтологи, например, широко используют информационно-поисковую систему ZOOINT — проект Зоологического института РАН (http://www.zin.ru/projects/zooint_r/zooint.htm).

В Палеонтологическом институте РАН подготовлена и применяется специализированная программа «Биоморфикс» (http://www.paleo.ru/paleonet/biomorphix/biomorphix.zip), которая предназначена для ввода, хранения, измерения и сравнительного анализа изображений двумерных и трехмерных биологических объектов, для их распознавания и последующей статистической обработки с целью сравнения моделей между собой, чтобы в дальнейшем выяснить степень родства гомологичных элементов скелета различных организмов. Особенно эффективно программа работает в условиях малых статистических выборок и неполной информации об объекте, что как раз и характерно для палеонтологического материала.

Создание виртуальных экспонатов

Процесс создания интерактивных музейных экспонатов давно вымерших животных с неизвестным обликом по найденным скелетам в виде 3D-образов находится сегодня пока в стадии совершенствования, но в качестве примеров уже можно назвать два работающих виртуальных экспоната. Посмотреть анимации моделей головы хищного динозавра Дейнониха (Deinonychus) и ступней звероногого ящера теропода (Theropod), равно как и узнать обо всех этапах их создания, можно на сайте http://www.nsf.gov/od/lpa/news/02/tip021022.htm (рис. 2). Указанные виртуальные экспонаты прекрасно демонстрируют не только облик животного в целом, но и его кожу (или шкуру) и работающие мышцы.

Исследование клеточных структур с помощью микроскопии

Сканирующая электронная микроскопия, которая занимается исследованием костной ткани, кожи, шерсти, клеток внутренних органов и пр., совершенно незаменима в палеонтологических исследованиях. С ее помощью можно распознать найденные образцы костей ископаемых животных и точно установить, кому именно принадлежит данный осколок кости. Можно сделать и более глобальные заключения, касающиеся особенностей изменения климата, развития жизни в тот или иной исторический период и т.п. Так, последние микроскопические исследования высокоуглеродистых пород и фосфоритов выявили наличие фоссилизированных бактерий практически во всех осадочных образованиях, что заставило палеонтологов принципиально изменить взгляды в отношении докембрия. Результаты микроскопического исследования клеток могут рассказать ученым и о функциональных особенностях развития организма, например скопление митохондрий говорит о высоком энергетическом потенциале и активности животных.

Для проведения электронной микроскопии в дополнение к компьютеру необходимы сканирующий электронный микроскоп, цифровая камера и специальные программы для анализа изображений. Примерами такого ПО могут служить программные пакеты Alicona MeX 3D (http://www.alicona.com/) и INCA Feature от Oxford Instruments Investor (http://www.oxinst.com/). Первый пакет позволяет реконструировать и визуализировать трехмерную поверхность: рассчитать величину шероховатости и сглаженности, объем пор и выпуклостей; визуализировать и провести анализ поперечных профилей поверхности; выполнить измерения высоты неровностей поверхности и пр.; второй предназначен для автоматического определения, анализа и классификации текстур и микровключений на поверхности образца и используется, в частности, для того, чтобы не учитывать при последующем формировании 3D-модели включения песка, глины, известковых отложений и т.п. на поверхности исследуемой кости.

Создание трехмерных цифровых моделей ископаемых животных

Методик построения точных трехмерных цифровых моделей поверхности объектов сегодня немало, но палеонтологи чаще всего прибегают к лазерному сканированию, позволяющему сначала представить исследуемый объект как несколько сканов с гигантским набором точек с пространственными координатами (точек может быть от сотен тысяч до нескольких десятков миллионов), а затем уже в виде поверхности, которая впоследствии может быть экспортирована в любое CAD-приложение, скажем в AutoCAD.

Для лазерного сканирования необходима трехмерная лазерная система, состоящая из самого лазерного сканера и полевого компьютера — подойдет, например, Callidus компании Trimble (разработка фирмы Callidus Precision Systems GmbH, приобретенной Trimble); http://www.trimble.com/ — со специальным программным обеспечением для компьютерной обработки отсканированных данных 3D-Extractor.

В дальнейшем использовать полученные таким образом трехмерные модели можно по-разному — воссоздать внешний облик ископаемого чудовища, или остановиться на физической модели черепа, а затем попытаться сымитировать издаваемые им звуки, или просто удовольствоваться распознаванием найденного образца.

Среди различных методов, которые в той или иной мере могут применяться для создания 3D-моделей, большой интерес у палеонтологов вызывает компьютерная томография — метод исследования внутренних органов, основанный на компьютерной обработке очень большого числа показателей поглощения тканями рентгеновского излучения определенной длины, генерируемого вращающимся источником. Некоторые из последних сенсаций в палеонтологии связаны именно с компьютерной томографией. Так, в 2000 году по окаменелости была создана трехмерная модель сердца растительноядного ящера тесцелозавра (Thescelosaurus), исследование которой указало на теплокровность динозавров, вопреки долгое время господствовавшему мнению об их холоднокровности (http://www.dinoheart.org/mediakit/index.html — рис. 3 и 4). Велико значение томографии и при проведении исследований черепа — сделанные для некоторых ископаемых слепки черепов позволили палеонтологам высказать ряд предположений относительно наличия или отсутствия у них тех или иных специфических функций.

Для проведения компьютерной томографии могут использоваться самые разные модификации томографических систем, например мультисрезовые спиральные компьютерные томографы Somatom Sensation от Siemens (http://www.siemens.dk/) в совокупности с пакетами соответствующего ПО — 3S SSD, SURE View и пр.

Создание физических моделей ископаемых животных

Хоть это, может быть, и не очень приятно самим палеонтологам, но их ошибки при восстановлении облика доисторических животных всплывают довольно часто, а порой в демонстрируемых скелетах тех или иных ископаемых животных оказываются явно «лишние» детали. Типичный пример — сенсация в отношении ископаемого животного, получившего имя «Археораптор» (Archaeoraptor), которое, по первоначальному мнению ученых, было промежуточным звеном в эволюции между динозаврами и птицами. Недавно в результате компьютерной томографии ученые обнаружили, что хвост этого существа принадлежит совершенно другому животному. Сегодня палеонтологи получили возможность более точно восстанавливать скелеты доисторических животных, недостающие фрагменты которых моделируются на компьютерах.

Одним из наиболее популярных методов создания физических моделей на основе компьютерных моделей, предварительно спроектированных в CAПР-системах, является стереолитография, которая позволяет изготавливать копии реальных трехмерных объектов по данным, например, рентгеновского компьютерного томографа.

Сегодня самым крупным проектом применения стереолитографии в палеонтологии стало получение физической модели трицератопса на основе его оригинального скелета (рис. 5) с помощью стереолитографической машины SLA7000 от 3D Systems (http://www.3dsystems.com), о этапах создания модели рассказывается на сайте Смитсоновского Национального музея (http://www.mnh.si.edu/). Работы велись два года, и в 2001 году в музее была выставлена новая модель этого животного.

Создание физической модели трицератопса происходило следующим образом. Вначале было произведено сканирование всего экспоната целиком и оцифрованы ключевые точки реального скелета с помощью системы сканирования Steinbichler Optotechnik OptoTrak (http://www.steinbichler.de): на скелете в качестве опорных точек было установлено около 100 меток. После этого были отсканированы большие кости (рис. 6) с помощью портативного оптического сканирующего устройства Steinbichler Comet (http://www.steinbichler.de), а более мелкие — посредством лазерного сканера Cyberware (http://www.cyberware.com). В результате обработки созданных сканов программой SDRC’s от Surfacer (http://www.sdrc.com) была создана трехмерная модель трицератопса, занявшая по объему порядка 20 Гбайт и представлявшая около 1,5 млн. точек, а полный набор отсканированных данных составлял порядка 30 млн. точек.

Затем данные были сегментированы на 35 горизонтальных и вертикальных частей и созданы прототипы недостающих костей с помощью программы для быстрого создания прототипов SolidView компании Solid Concepts (http://www.solidconcepts.com). После этого данные были экспортированы в программу Lightyear компании 3D Systems (http://www.3dsystems.com) для дальнейшей обработки, по окончании которой все файлы были объединены, как это обычно и бывает при построении больших прототипов. При этом недостающие фрагменты были заполнены искусственно сгенерированными данными.

В итоге получилась полная цифровая модель трицератопса (рис. 7), на основе которой методом стереолитографии была создана функциональная физическая модель ящера, позволившая палеобиологам музея легко управлять уменьшенными сочленениями костей в ходе проверок теорий о наиболее вероятных перемещениях частей тела при ходьбе и других движениях, а также определять более точную и естественную позицию для установки нового скелета. По физической модели в дальнейшем была произведена художественная реконструкция ящера (рис. 8).

Имитация перемещения

Сотрудники Смитсоновского Национального музея естествознания впервые применили созданную на основе 3D-данных физическую модель с целью исследования движений трицератопса. Для создания анимации цикла ходьбы этого ящера ученые воспользовались отсканированными файлами, импортировали их в программу 3D Studio Max компании Autodesk (http://www.autodesk.com) и воспроизвели цикл ходьбы трицератопса, основываясь на особенностях анатомии. При создании анимированного движения были не только учтены данные 3D-графики, но и использованы окаменелые следы. Полученный результат передвижения трицератопса можно увидеть на сайтах по адресам: http://www.nmnh.si.edu/paleo/3dmov/tric09.mov и http://www.nmnh.si.edu/paleo/3dmov/tric10.mov.

Воссоздание звуков

Как ни фантастично это звучит, но теперь палеонтологи с помощью компьютерных технологий могут имитировать даже звуки, издаваемые доисторическими животными. Сегодня уже проведен один такой эксперимент (http://www.dinosauria.com/jdp/misc/parasing.html или http://www.sandia.gov/media/dinosaur.htm) по воссозданию голоса паразауролофа (Parasaurolophus).

Успеху данного эксперимента способствовало то, что был найден прекрасно сохранившийся череп животного. Сначала череп динозавра подвергли сканирующей рентгеновской компьютерной томографии, в результате чего была получена трехмерная модель со всеми внутренними полостями. Затем были смоделировали две акустические системы динозавра: с голосовыми связками и без них, поскольку ученым точно было неизвестно, были ли голосовые связки у динозавров. После этого пакет 3D-аэродинамики выдохнул воздух из не существующих уже 75 млн. лет легких через смоделированную сложную систему виртуальных труб и полостей. В результате динозавр «запел», а ученые смогли получить представление о его «вокальных» данных.

КомпьютерПресс 7'2003