Ноябрьским утром 2011 года американский палеонтолог Николас Пиенсон провожал глазами груженные рудой самосвалы, с ревом проносящиеся по участку Панамериканского шоссе между шахтами в пустыне Атакама и чилийским портовым городком Кальдера. Перед ним расстилался 250-метровый участок песчаника, расчищенный для прокладки новых шоссейных полос. Впрочем, не совсем простой участок.

Винсент Росси, специалист-лазерщик, оценивает качество копий, изготовленных на 3D-принтере, — сразу бросаются в глаза миниатюрный скелет мастодонта и посмертная маска Авраама Линкольна.
«Лазерные ковбои» за работой

Пиенсон, заведующий отделом морских ископаемых млекопитающих Смитсоновского института, большую часть своего рабочего времени проводит в поисках останков древних китообразных. На протяжении последнего года его чилийский коллега Марио Суарес приглашал Пиенсона приехать, чтобы посмотреть на окаменелости, постепенно обнажающиеся во время работ по расширению трансконтинентального шоссе. Пиенсон уже видел несколько фрагментов черепа, выкопанных при этих работах, — их ценность оказалась невысока. И вот наконец, находясь в Чили по другим делам, Пиенсон согласился заглянуть к Суаресу. Теперь, стоя на обочине, он понял, почему коллега был так настойчив: дорожные рабочие извлекли на свет не просто несколько китовых костей, а буквально целое китовое кладбище. Перед исследователем расстилались скелеты по крайней мере сорока доисторических китов, причем некоторые из них достигали десятиметровой длины. Находка обещала стать самой большой в мире коллекцией китовых останков.

Чтобы разобраться в причинах гибели кальдерских китов, нужны серьезные временные и финансовые ресурсы. Палеонтологическая экспедиция должна предварительно задокументировать каждую находку, не извлекая ее из земли, — так скелеты можно соотнести с окружающей обстановкой, со средой, в которой киты нашли свою смерть. Но в данном случае у исследователей просто не было времени для всех необходимых процедур, поскольку кладбище расположилось в самой гуще строительных работ. На все про все городские власти Кальдеры выделили палеонтологам один месяц.

И Пиенсон нашел решение, причем не локальное, а способное повлиять на будущее всей палеонтологии как науки. Он отправился домой, в Вашингтон, и через две недели вернулся с Винсентом Росси и Адамом Металло, двумя молодыми учеными, работающими в Смитсоновском институте с трехмерной оцифровкой экспонатов. Вместо лопат, совков и гипса для слепков они привезли на стройплощадку лазерные сканеры и видеокамеры.

«Лазерные ковбои», как прозвал их Пиенсон, установили над площадкой тенты и в течение шести дней по 20 часов в сутки работали, фиксируя миллиарды пикселей графической информации. Вернувшись в институт, Пиенсон с коллегами на базе полученных данных воссоздали место раскопок в цифровом виде. Теперь они могли сколько угодно работать на виртуальном кладбище в поисках причины гибели китов. Более того, у них появилась новая возможность делиться информацией, распечатывая высококачественные трехмерные копии ископаемых. В частности, Смитсоновский институт анонсировал выставку, на которой будет представлен десятиметровый скелет одного из китов, похороненных в Кальдере. Экспозиция будет организована в Национальном музее естественной истории, и это будет самый большой в мире объект такого рода, изготовленный на 3D-принтере.

Помимо палеонтологической ценности, грядущая экспозиция расскажет публике о том, как успехи цифровых технологий меняют жизнь и в сфере науки, и за ее пределами. Возможность максимально точно сохранять информацию всегда была важна для ученых, будь то чертежи, эскизы или фотографии, но новая технология позволяет сохранять подробную информацию для последующего ее воспроизведения в объеме! Лазерное сканирование даст Смитсоновскому институту возможность выставлять для широкой публики особо ценные экспонаты из коллекций различных музеев. В частности, в 2013 году «лазерные ковбои» запустили амбициозную программу — они решили создать библиотеку сканов высокого разрешения всех экспонатов музеев Смитсоновского института (в том числе китовых костей, исследованных Пиенсоном). Планируется, что библиотека будет доступна в онлайн-режиме, причем совершенно бесплатно.

Эволюция методов

Методика сканирования и 3D-печати в палеонтологии — это логическое развитие 350-летней традиции создания наглядных пособий. Еще в 1660-х датский анатом Нильс Стенсон поразил ученых тогдашней Европы, опубликовав изображения треугольных минеральных образований («языковых камней») рядом с зубами акул. При сравнении сразу становилось понятно, что камни представляли собой окаменелые акульи зубы.

Впоследствии палеонтологи азартно хватались за любые новые технические средства, способные помочь наглядному отображению их исследований, — от гравировки на медных пластинах до цветной фотографии. Впрочем, двумерное представление информации в любом случае не может быть полным, и для полноценного изучения образцов палеонтологам приходилось ездить из музея в музей.

В конце 1990-х Тим Роу, палеонтолог из Техасского университета, ввел в практику новый способ обследования ископаемых образцов — посредством рентгена. Роу изучал кости с помощью компьютерного томографа и получал подобие трехмерной картины. Томограф мог до некоторой степени заглянуть внутрь обследуемой окаменелости, отображая внутренние полости и прочие скрытые анатомические особенности.
Фото

Специалисты Смитсоновского института оцифровывают собрание экспонатов для дальнейших исследований; для этого используются лазерные сканеры, например Surphaser

Трехмерное сканирование окаменелостей открывает новые возможности для понимания того, как жили вымершие животные. Так, Ларри Уитмер и его коллеги из Университета штата Огайо с помощью сканов сумели получить достаточно четкое представление о том, как двигались динозавры; исследуя останки аллозавра, они смогли понять, каким образом он убивал свою добычу. Исследования ученые начали с того, что отсканировали 1,5-метровый череп и шейные кости аллозавра (образцы были взяты из окаменелостей возрастом около 150 млн лет). Затем сопоставили выступы и углубления на костях в тех местах, где когда-то к ним крепились мышцы и сухожилия, с аналогами, имеющимися у современных родственников аллозавра — аллигаторов и птиц. Благодаря этому команда Уитмера смогла приблизительно оценить размеры и форму фрагментов мягких тканей, а затем, используя инженерные программы, рассчитала, какие силы могли генерировать мышцы динозавра и как они приводили в движение элементы скелета.

По итогам исследований ученые создали анимационную симуляцию движения аллозавра. Обнаружилось, что аллозавр имел отличную от других хищников той эпохи анатомию: мощная мышца, протянутая от шеи к голове, позволяла развивать огромные усилия в вертикальном направлении, в то время как тираннозавр, например, мог развивать значительные усилия по направлению из стороны в сторону — жертву он добивал, резко мотая головой. В компьютерной симуляции Уитмера аллозавр движется иначе. Это больше похоже на то, как ястреб поедает мышь-полевку: птица напрягает шейные мышцы, запрокидывая голову и разрывая жертву на куски.

Но вернемся к Пиенсону. Один-единственный ископаемый образец может рассказать очень многое, молодой же палеонтолог предположил, что в случае с китовым кладбищем трехмерная визуализация поможет восстановлению целой экосистемы. Под пологом низкой, длинной палатки, которую Пиенсон с коллегами натянули над раскопом, Росси и Металло отсняли все элементы кладбища с помощью обычного фотоаппарата Canon 5D. Затем, пользуясь ручным лазером, они отсканировали каждый скелет в отдельности.
Фото

Для того чтобы отсканировать китовое захоронение, Пиенсон обратился к специалистам-лазерщикам.

Вернувшись в институт, исследователи приступили к восстановлению общей картины на основании полученных данных. Сперва они обработали HD-сканы отдельных скелетов, а затем, совместив их с фотографиями, получили трехмерную картину всего раскопа. В некоторых особо важных местах точность трехмерной модели составляла менее 1 мм! В процессе анализа результатов ученые выделили среди китовых останков кости других крупных животных — талассокнусов («морских ленивцев), рыб-мечей и тюленей. Вот и вопрос для ученого — как сюда попали все эти существа?

Тайна кладбища

Чем дольше Пиенсон вглядывался в схему расположения костей, тем больше она напоминала ему бойню, и постепенно исследователь начал ощущать себя не столько палеонтологом, сколько криминалистом. «Если бы мы не обратились к новой технологии, — говорит Пиенсон, — мы остались бы просто с подозрениями о том, что здесь когда-то произошла трагедия, но, получив трехмерные сканы, мы смогли продвинуться несравненно дальше».

Пиенсон с коллегами начали исследовать «улики». В первую очередь они отметили, что скелеты находятся в отменной целостности, то есть животные не подвергались нападениям хищников или работе падальщиков. Во‑вторых, среди останков выделялись три кита одного и того же вида, прижавшиеся друг к другу — возможно, семья, погибшая в один момент. В-третьих, Пиенсон отметил, что останки уложены в четыре отдельных слоя, один поверх другого, и общая высота слоев составляет 9 м. Это свидетельствовало о том, что значительное количество крупных животных погибало в этом месте последовательно в течение примерно 14?000 лет — где-то от 6 до 9 млн лет тому назад. Ключ же ко всей загадке оказался практически на поверхности: Пиенсон с коллегами отметили, что окаменелости покрыты плотной шкурой водорослей. «Количество возможных объяснений резко сузилось, — рассказывает Пиенсон. — Все свелось к красным приливам».

Дело в том, что время от времени в океане начинается взрывообразное размножение определенных видов фитопланктона (обычно — динофлагеллятов). Водоросли, помимо фотосинтетических пигментов, вырабатывают ядовитые вещества, которые приводят к массовой гибели рыбы и морских млекопитающих. Науке практически неизвестны случаи, когда от красных приливов погибали китообразные, но редкие наблюдения подобных инцидентов рисуют именно такую картину, какую ученые наблюдали на трехмерных сканах из Кальдеры. Красные приливы часто повторяются в одних и тех же местах, что и может служить объяснением многослойному характеру захоронений.
Фото

В ближайшие месяцы Смитсоновский институт планирует представить широкой публике десятиметровый скелет кита из раскопок в Кальдере. Это будет самый большой в мире объект подобного типа, изготовленный на 3D-принтере.

Для распространения 3D-технологий Смитсоновский институт планирует организовать специальные интернет-порталы с возможностью всестороннего изучения цифровых моделей с точностью до миллиметра. А Росси и Металло, «лазерные ковбои», преобразуют коллекции Смитсоновского института в трехмерные цифровые образы. Новый подход обещает стать хорошим подспорьем во многих областях знаний: искусствоведы смогут изучать античные скульптуры, а историки — расшифровывать надписи на древних артефактах. В рамках пилотного проекта Росси и Металло с помощью лазеров отсканировали хрупкий череп зубастого кита, которого исследовал Пиенсон, а также скелет шерстистого мамонта, выставленный в экспозиции Национального музея естественной истории.

«Стены музеев станут прозрачными, — говорит Пиенсон о возможностях 3D-моделирования экспонатов. — Трудно предсказать, что будет, когда редкости попадут в руки любому желающему — для исследований, изучения или копирования. Будущее непредсказуемо, но оно наверняка прекрасно».

Статья «Художники по кости» опубликована в журнале «Популярная механика» (№7, Июль 2014).