Durch 3D-Scanner von Artec 3D auf den Spuren des ausgestorbenen Beutelwolfs

Herausforderung: Digitale 3D-Erfassung der genauen Maße von Hunderten von Knochen, Schädeln und Skeletten des Beutelwolfs und eines konservierten Exemplars der Spezies. Dazu kommt der Vergleich mit Exponaten aus Museen weltweit, um die tatsächliche Körpermasse der ausgestorbenen Tierart zu erfassen.

Lösung: Artec Space Spider, Artec Leo, Artec Studio, ZBrush

Ergebnisse: Auf Grundlage der hochauflösenden 3D-Scans von Hunderten von Proben, konnte das Forschungsteam jedes einzelne Exemplar detailgetreu vermessen. Forscher verwendeten 3D-Scans von vollständigen Beutelwolf-Skeletten, modellierten daraus ein naturgetreues 3D-Modell eines Beutelwolfs und konnten es so digital wiegen. Die Forscher ermittelten schließlich den korrekten Körpermassebereich des Beutelwolfs: Es ergab sich ein signifikanter Unterschied zu vorherrschenden Schätzungen des Gewichtswerts.

Millionen Jahre der Evolution machten den Beutelwolf zu einem Spezialisten im Überlebenskampf. Als größtes je existierendes fleischfressendes Beuteltier, hatte sich der Beutelwolf eine eigene ökologische Nische geschaffen. Doch dann tauchten die ersten menschlichen Siedler auf.

Der leitende Forscher Douglass Rovinsky scannt einen Beutelwolf-Schädel mit Artec Space Spider im Queen Victoria Museum & Art Gallery

Beginnend in den frühen 1830er-Jahren und bis ins nächste Jahrhundert hinein, wurden Tausende von Beutelwölfen, oft auch als „Tasmanische Tiger“ bezeichnet, von Bauern und Jägern in einem berühmt-berüchtigten Kopfgeldprogramm gezielt ausgerottet – bis nur noch ein Vertreter der Spezies übrig war.

Dieser wurde in der Wildnis gefangen und verbrachte die letzten drei Jahre seines Lebens eingesperrt in einem Zoo. Im September 1936 starb Benjamin, Tasmaniens letzter bekannter Beutelwolf, nachdem er für die Nacht aus seinem Käfig gelassen worden war. Nur 59 Tage zuvor hatte Tasmanien dem Beutelwolf endlich einen offiziellen Schutzstatus gewährt.

Digitale Rekonstruktion eines Beutelwolfs durch den Forscher und Digitalkünstler Damir Martin

In den Jahren zuvor kursierten zahlreiche falsche, oder zumindest stark übertriebene Geschichten über die Beutelwölfe. Darunter Gerüchte über ihre angebliche Bösartigkeit oder der Irrglaube an die berserkerartige Kraft der Tiere, Widerstandsfähigkeit gegen Schrotflinten und dass Beutelwölfe ihre Opfer vollständig ausbluten ließen.

Wissenschaftlern gelang es nur selten die Spezies gründlich zu untersuchen, als die Beutelwölfe noch durch die tasmanische Landschaft wanderten. Auch heute noch, weniger als ein Jahrhundert nach Benjamins Tod, gibt es trotz des großen Interesses an diesem Tier diverse Fragen und wenige wissenschaftliche Daten.

Digitale Nachbildung eines Beutelwolf-Paares von Damir Martin

So ist wenig bekannt über die Ernährung der Beutelwölfe, ihre Paarungsgewohnheiten, ihr Jagdverhalten und wie sie mit ihrer Umgebung interagierten. Ebenso unklar ist das genaue Gewicht des Beutelwolfs, genauer die Körpermasse des Tieres. Die Körpermasse ist eines der grundlegendsten Aspekte bei der Untersuchung einer Spezies und für das wissenschaftliche Verständnis unerlässlich. Dabei geht es nicht zuletzt auch um die chemische Beschaffenheit und Physiologie des Tiers.

Wie viel Energie verbrauchte der Beutelwolf am Tag? Konnte er gut Wärme speichern? Wie schnell konnte er Nahrung verdauen? Wie oft musste er fressen? Welche Arten von Tieren jagte er? Wie gut kam er mit seiner Umgebung zurecht? Diese Fragen lassen sich erst nach der Bestimmung des Gewichts mit Genauigkeit beantworten.

Wissenschaft baut immer auf dem Fundament vorheriger Forschung auf. Ohne ein tiefes Verständnis vorheriger Konzepte können Folgefehler für weitere Konzepte entstehen.

Digitale Nachbildung eines Beutelwolf-Paares von Damir Martin

Im Laufe der jahrzehntelangen Forschung an den Beutelwölfen bemängelten Wissenschaftler immer wieder das Fehlen einer genauen Schätzung der Körpermasse der Spezies. Es blieb bei einer unsicheren, aber oft zitierten Annahme, laut welcher der Beutelwolf etwa 25 bis 29 Kilogramm wog.

Eine weitere Frage bezüglich des Beutelwolfs blieb ungeklärt. Entsprach die Spezies gewissen Gesetzmäßigkeiten bei Fleischfressern? Bei diesen Gesetzmäßigkeiten handelt es sich im Wesentlichen um einen Schwellenwert beim Energiebudget. Dieser definiert, dass Fleischfresser mit einem Gewicht von 14 kg oder weniger aus der Not sich eher von Beute ernähren, die viel kleiner ist als sie selbst.

Fleischfresser um die 21 kg oder größer, wie Wölfe und Jaguare, jagen in der Regel gleich große oder größere Beutetiere. Fleischfresser, die zwischen 14 und 21 kg wiegen, etwa Füchse und Wildkatzen, konzentrieren sich in der Regel auf kleinere Beutetiere, können aber gelegentlich auch größere Tiere erlegen.

Digitale Nachbildung eines Beutelwolfs von Damir Martin

Ohne ein genaues Verständnis der wahren Körpermasse der Beutelwölfe konnte dieser Aspekt, wie auch zahlreiche andere, schlichtweg nicht genau wissenschaftlich bestimmt werden.

Aus dieser Erkenntnis heraus starteten der Doktorand der Monash-Universität, Douglass Rovinsky, und ein Team von drei weiteren Forschern, darunter Dr. Justin W. Adams, ein Projekt mit dem Ziel, das notwendige Wissen selbst zu schaffen.

Die Einzelheiten des Projekts wurden in der wissenschaftlichen Zeitschrift Proceedings of the Royal Society B unter dem Titel: „Brach der Beutelwolf die Gesetzesmäßigkeiten des Fleischfressens? Körpermasse und Sexualdimorphismus eines legendären australischen Beuteltiers“ [“Did the thylacine violate the costs of carnivory? Body mass and sexual dimorphism of an iconic Australian marsupial.”] veröffentlicht.

Rovinsky erläutert die Bedeutung des Projekts: „Je mehr wir über den Beutelwolf und alle anderen ausgestorbenen Tiere wissen, desto besser können wir verstehen, wie die heute lebenden Arten auf Veränderungen in der Umwelt reagieren. Diese Thematik gewinnt sowohl global als auch lokal mit einer enormen Geschwindigkeit an Bedeutung.“

Ihre Forschungen führten die Spezialisten um die Welt und mit der Zeit arbeiteten sie in Museen und Institutionen, darunter das Smithsonian, mit den wenigen noch vorhandenen Beutelwolf-Präparaten.

Rovinsky und sein Team erkannten früh, wie ungenau die lineare Regression zur Schätzung der Körpermasse bei ausgestorbenen Tieren ist, mitunter weil die Messung nur die Zähne eines Tieres berücksichtigt.

Für die korrekte Durchführung der Methode musste es einen sehr ähnlich lebenden Verwandten der Art geben. Im Fall der Beutelwölfe ist das der Numbat. Das pelzige kleine Tier wiegt nur 0.5 kg und ernährt sich hauptsächlich von Termiten. Proportionale Vergleiche zwischen den beiden Tieren waren von vornherein ausgeschlossen.

Deswegen beschlossen Rovinsky und sein Team, die Ergebnisse mehrerer Methoden zur Schätzung der Körpermasse zu kombinieren. Zuerst die lineare Regression der Zähne und der Oberschenkelknochen. Anschließend ging es an den Aufbau einer konvexen Hülle um ein 3D-gescanntes Beutelwolf-Skelett. Erst dann erfolgte die Anfertigung einer lebensechten Darstellung eines Beutelwolfs über einen digitalen Scan und das digitale Wiegen sowohl der gescannten Fassungen als auch der angefertigten Beutelwolf-Nachbildungen (über ebenjene gescannten Skelette, aus denen die konvexen Hüllen angefertigt wurden).

Obere Reihe von links: Scan des Beutelwolf-Skeletts mit Artec Leo sowie konvexes volumetrisches Rumpfmodell über dem Skelett für digitales WiegenUntere Reihe: Skulpturierte volumetrische 3D-Beutelwolf-Modelle über dem Skelett (mit und ohne Textur), die für das digitale Wiegen verwendet werden

Vor der Durchführung der mehrphasigen Analysen wurden Hunderte von Beutelwolf-Proben dreidimensional gescannt und in äußerst präzise 3D-Modelle umgewandelt.

Das Team um Rovinsky stand auch vor logistischen Herausforderungen: Die vorhandenen Exemplare waren auf 18 verschiedene Museen und Institute verteilt, vom örtlichen Museum in Melbourne über verschiedene Museen in Australien und Tasmanien und mehrere in Übersee – in den USA, Europa und Großbritannien.

Für die digitale Erfassung der Beutelwolf-Proben verwendeten Rovinsky und Adams einen leichten, submillimetergenauen 3D-Handscanner – Artec Space Spider. Die beiden Forscher besuchten getrennt voneinander die für sie relevanten Museen und Institute und scannten Hunderte von Objekten: Knochen, Schädel, ganze Skelette, konservierte Beutelwölfe sowie einen komplett erhaltenen Beutelwolf.

Dr. Justin W. Adams beim Scannen eines erhaltenen weiblichen Beutelwolfs mit Artec Space Spider im Schwedischen Naturkundemuseum

Noch vor dem Start des Projekts entschieden sich Rovinsky und Adams sowohl gegen traditionelle Messmethoden, wie etwa Messschiebern, als auch gegen modernere Methoden wie GDI und Photogrammetrie. Die Zeit war bei jedem Museumsbesuch begrenzt und unnötige Risiken durch Berührung der Proben galt es zu vermeiden.

Traditionelle Methoden erfordern einen hohen Zeitaufwand, ganz zu schweigen vom personellen Aufwand der Museen bei der Aufsicht während der Testungen. Zudem hätten die Ergebnisse kaum an die Genauigkeit des 3D-Scannens mit Artec Space Spider herangereicht.

Gleichzeitig besteht bei traditionellen Methode immer das Risiko, Exponate während der Tests zu beschädigen. Mit dem Artec Space Spider ist die Datenerfassung mit einer Genauigkeit von bis zu 0,05 mm Dutzende Male schneller als mit anderen Methoden und es müssen wenige bis gar keine Berührungen mit dem Objekt stattfinden.

Dr. Justin W. Adams im Schwedischen Naturkundemuseum bei der Aufnahme eines erhaltenen weiblichen Beutelwolfs mit Artec Space Spider in Submillimeter-3D

Die Museumsmitarbeiter waren laut Rovinsky begeistert angesichts der kurzen Scanzeiten und des äußerst geringen Schadenrisikos für die Exemplare – dadurch waren sie nicht länger als ein paar Minuten von ihrer eigentlichen Arbeit abgelenkt. Dennoch blieben die Kuratoren und Mitarbeiter des Museums häufig aus reiner Neugierde dabei und beobachteten den 3D-Scanner in Aktion.

„Sie sind sehr beeindruckt von der Schnelligkeit und einfachen Handhabung des Space Spiders. Denn im Vergleich zu Gastforschern ohne diesen 3D-Scanner brauchen wir für unsere Arbeit nicht viel. Wir benötigen keinen großen Raum, keine kontrollierte Beleuchtung und wir nehmen nicht zu viel von ihrer Zeit in Anspruch“, so Rovinsky.

Auf die Frage, welche Erwartungen Museumsmitarbeiter haben, bevor sie Space Spider in Aktion sehen, erklärt Rovinsky: „Sie geben uns eine Schachtel mit 12 Exemplaren und wir sagen ihnen nur: Okay, wir brauchen dafür etwa 2 Stunden – wann kann ich die nächsten 12 Exemplare bekommen? Sagen wir einfach, sie sind an dieses Tempo nicht gewöhnt.“

Bei der Erfassung von Tierpräparaten verfeinerte Rovinsky mit Space Spider sein Verfahren im Laufe der Zeit. Etwa beim Scan von etwas Einfachem, etwa den Oberschenkelknochen eines Wolfes oder eines Beutelwolfs: „Es ist relativ einfach, schnell und dauert nur wenige Minuten für jedes Exemplar. Normalerweise erfasse ich alles in drei Scans. Dazu lege ich das Objekt auf meinen tragbaren kleinen Drehtisch und scanne es für ein paar Umdrehungen. Mein Ziel sind etwa 400 Bilder pro Scan-Durchgang. Dann drehe ich das Objekt um und mache alles noch einmal.“

Der leitende Forscher Douglass Rovinsky scannt einen Beutelwolf-Schädel mit Artec Space Spider im Queen Victoria Museum & Art Gallery

Wenn es um das Scannen von Schädeln geht, sind einige recht unkompliziert, während andere schwieriger zu erfassen sind. „Das ist besonders der Fall bei den größeren Schädeln, die bis zu 9 Scans für ein vollständiges Bild benötigen. Die Herausforderungen bei diesen Objekten sind die schwer zugänglichen Bereiche, wie der Kieferknochen, die Wangenknochen und die Augenhöhlen etc.“, so Rovinsky.

Um die Bearbeitung der Scans in Artec Studio kümmert sich Rovinsky nach dem Besuch eines der Museen: „Die Bearbeitung und das Zusammenfügen von Scans sind Dinge, die ich zu einem späteren Zeitpunkt mache. Ich habe mich daran gewöhnt und dies beansprucht das Museumspersonal so wenig wie möglich. Wenn ich in die Sammlung komme, scanne ich einfach alles nötige. Dann verlasse ich das Museum auch schon wieder und die ganze Scan-Verarbeitung geschieht im Nachhinein.“

Er fährt fort: „Ich kann Space Spider einfach mitnehmen und im Laufe eines Nachmittags habe ich 20 oder 30 Exemplare vollständig gescannt. Bei Dienstreisen zur Datenerfassung komme ich buchstäblich mit Hunderten von Scans nach Hause, alle unglaublich scharf und mit mehr als genug Details für unsere Arbeit.“

Rovinsky erklärt den Ablauf in Artec Studio: „Zuerst richte ich meine Scans manuell aus und führe eine Gesamterfassung nur für die Geometrie durch. Danach führe ich scharfe Fusionierung durch. Die gewählte Auflösung hängt von der Größe des Objekts ab: Grundsätzlich füge ich Objekte, die so groß wie ein Hundekopf und kleiner sind, bei 0,1 zusammen und wenn sie größer sind im Allgemeinen bei 0,2.“

Er fährt fort: „Dann starte ich ein oder zwei Durchläufe des Glättungs-Algorithmus. Anschließend führe ich eine schnelle Vereinfachung des Polygonnetzes auf bis zu 600.000 Polygone durch. Letztendlich ist diese Zahl ausreichend. Sicher, es gibt Auflösungsunterschiede zwischen einem Schädel mit 600.000 und einem Schädel mit 1,5 Millionen Polygonen. Ob diese Unterschiede für paläontologische Zwecke sinnvoll sind oder nicht, ist eine andere Frage.“

In einer späteren Phase des Projekts arbeitete Rovinsky mit dem Gold-zertifizierten Artec 3D-Partner Thinglab in Melbourne zusammen und erfasste vollständige Beutelwolf-Proben im Tasmanian Museum and Art Gallery mit Artec Leo, einem vollständig drahtlosen 3D-Scanner mit integriertem Touchscreen. Mit diesen Scans wurden mehrere Beutelwolf-Skelette und Ganzkörper-Präparate aus dem Museum erfasst. Die digitalen Skelette wurden dann verwendet, um die konvexen Rumpfformen zu konstruieren und sind Ausgangspunkt für die digitalen Skulpturen.

Ben Myers von Thinglab beim Scannen eines Beutelwolf-Skeletts mit Artec Leo im Tasmanian Museum and Art Gallery

Ben Myers, leitender Mitarbeiter für 3D-Scannen bei Thinglab, sagt: „Wir sind begeistert von Artec Leo und haben ihn, wie unsere Kunden, bereits für eine Reihe von Projekten eingesetzt. Artec Leo beeindruckt uns bei Thinglab mit seinen vielen Funktionen, darunter die VCSEL-Lichttechnologie. Diese macht einen großen Unterschied bei der Registrierung von Oberflächen, womit wir in der Vergangenheit teilweise Probleme hatten.“

3D-Modell eines Beutelwolf-Skeletts, gescannt im Tasmanian Museum and Art Gallery mit Artec Leo

Er fährt fort: „Das Tracking ist beeindruckend und ermöglicht es Objekte frei zu bewegen. Es erfasst selbst anspruchsvolle Geometrien und jede einzelne Oberfläche mit Leichtigkeit. Die Tatsache, dass der Scanner komplett kabellos ist und über ein eingebautes Display verfügt, macht den gesamten Scanprozess noch viel einfacher und effizienter.“

Ben Myers von Thinglab scannt mit Artec Leo im Tasmanian Museum and Art Gallery eine Beutelwolf-Probe

Für eine der letzten Phasen des Projekts wandte sich Rovinsky an Damir Martin, den Digitalkünstler des Teams. Martin ist erfahren in der akribischen Darstellung der Paläowelt und machte sich an die besonders lebensechten 3D-Modelle der Beutelwölfe.

Martin untersuchte den Beutelwolf bereits vor diesem Projekt eingehend und schuf zahlreiche atemberaubende Bilder dieser Kreatur in ihrer natürlichen Umgebung in Tasmanien.

Grundlage für Martins Arbeit waren die von Leo erstellten Scans von montierten Skeletten und präparierten Tiere. Dank seinem umfassenden Verständnis des Beutelwolfs und vielen Anregungen von Experten, darunter Rovinsky und Adams, modellierte er dann digital Schritt für Schritt in ZBrush die Muskulatur und das äußere Erscheinungsbild jedes Tieres. Sobald die Modelle fertig waren, wurden sie digital gewogen und die Daten aus diesen Messungen zusammen mit den anderen Körpermassenschätzungen weitergegeben.

Anatomisch präzises 3D-Modell eines Beutelwolfs, erstellt von Damir Martin

Martin kommentiert seine Arbeit: „Ich hatte schon immer ein starkes Interesse an ausgestorbenem Leben. Der Beutelwolf ist in vielerlei Hinsicht ein besonderes Tier, nicht zuletzt wegen seiner so mysteriösen und einzigartigen Erscheinung. Leider ist es bei den meisten Restaurierungen und Rekonstruktionen, aus einem künstlerischen Standpunkt nicht gelungen, die subtilen Nuancen des lebenden Tieres einzufangen.“

„Dabei wissen wir dank einiger seltener Fotos eigentlich, wie der Beutelwolf im wirklichen Leben aussah. Daher war die Herausforderung des Projekts selbst ein weiterer reizvoller Faktor für mich.“

Mit sämtlichen Daten aus den Berechnungen zur Schätzung der Körpermasse (aus über 93 Beutelwölfen unter Verwendung von 207 Scans) setzten Rovinsky und sein Team das tatsächliche Gewicht der Beutelwölfe bei etwa 19 kg für männliche und 14 kg für weibliche Tiere fest. Somit waren Männchen etwa 30 Prozent größer als die Weibchen.

Im Vergleich zu den jahrzehntelangen Annahmen über die Körpermasse der Beutelwölfe liegen die Zahlen von Rovinsky und seinen Forschern für Beutelwölfe bei etwa 55 Prozent der früheren Körpermassenschätzungen. Damit räumte man auch mit einer alten Behauptung auf. Der Beutelwolf verstieß nicht gegen „die Gesetzmäßigkeiten des Fleischfressens“, da er sich im mittleren Bereich der Fleischfresser befand – das heißt im Bereich der Arten zwischen 14-21 kg, die normalerweise kleinere Kreaturen als sie selbst erbeuteten, wobei sie gelegentlich auch größere Beutetiere erlegten.“

Dieses erfolgreiche Projekt ist eine Facette eines größeren Forschungsschwerpunkts auf der Evolutionsbiologie der Beutelwölfe, einschließlich der vorliegenden Studie über die Körpermasse. Erweitert um detailliertere Untersuchungen zu Ernährung, Fortbewegung und Gesamtbiologie der Beutelwölfe sowie unter Verwendung weltweit gesammelter Proben von 3D-Daten.

Adams über die Bedeutung von 3D-Scannen für eine solche Arbeit: „Paläontologen beginnen endlich zu erkennen, dass 3D-Methoden eine weitaus genauere Körpermassenschätzung auf breiter Front ermöglichen. Sie funktionieren einfach besser, denn selbst bei einer rein digitalen Messung am Computer misst man die Masse der Form des Objekts. Im Gegensatz zu dem Versuch, zwei Variablen auf einer Regressionslinie darzustellen.“

3D-Technologie revolutioniert unser Verständnis von der Größe ausgestorbener Tiere. Ich denke, dass wir diese Technologien in Zukunft viel öfter einsetzen werden. Wenn man bedenkt, mit welcher Leichtigkeit und Schnelligkeit Artec Space Spider oder Artec Leo diese Art von präzisen Daten sammeln konnten, sollte man digitale Technologien nicht unterschätzen.“

Rovinsky kommentiert die zentrale Rolle von zuverlässigen Daten: „Die Schwierigkeit besteht darin, unbedingt genügend Daten anzusammeln und nur daraus kann man eine schlüssige 3D-Darstellung des Organismus erzeugen. Bei vielen paläontologischen Studien ist das nicht gegeben.“

„Ich hätte diesen Grad an Genauigkeit bei einer geringeren Anzahl an Exemplaren oder ohne Zugang zu vollständigen Skeletten nicht erreichen können. Die meisten Paläontologen haben nicht einmal einen vollständigen Knochen, mit dem sie arbeiten könnten, geschweige denn ein vollständiges Skelett. Die Artec 3D-Scanner machten es uns jedoch leicht, die riesigen Mengen an Daten, die wir benötigten, zu sammeln.“

Rovinsky geht auf die Bedeutung des Projekts ein: „Je mehr wir unser Verständnis des Beutelwolfs an die Wirklichkeit des Tieres annähern können, desto besser. Denn schlussendlich sind alle Daten, alle Beobachtungen, unser ganzes Verständnis bestenfalls aus zweiter Hand, da wir den Beutelwolf leider nicht mehr in natura erleben können.

Er fährt fort: „Alle unsere Forschungen und Daten werden durch unsere Beobachtungen, unsere Interpretationen und unsere Messungen gefiltert. Umso wichtiger ist es für uns, etwas so Grundlegendes wie die Körpermasse zu kennen. Denn dieser eine, scheinbar unbedeutende Aspekt dieses Tieres wirkt sich auf unzählige Forschungsarbeiten aus, die sich auf unserem Verständnis dieses Faktors gründen.“