Сканеры Artec 3D помогают установить точный вес представителей вымершего вида — сумчатого волка

23/02/2021

Автор: Мэттью МакМиллион

Миллионы лет эволюции превратили тилацина в настоящего специалиста по выживанию. Крупнейшее из когда-либо существовавших хищных сумчатых животных создало себе уникальную экологическую нишу. Но затем на его территории появились первые переселенцы.

Ведущий научный сотрудник Дугласс Ровински сканирует череп тилацина с помощью Artec Space Spider в Музее королевы Виктории

Через несколько десятков лет фермеры и охотники ради наживы стали массово истреблять тилацинов, которых также называют тасманскими или сумчатыми волками. Эта практика началась в 1830-х годах и продолжалась около ста лет... Пока в живых не остался всего один тилацин.

Его поймали и поместили в клетку зоопарка, где он провёл три последних года жизни. Бенджамина, последнего в Тасмании тилацина, нашли мёртвым одним морозным утром. Видимо, его забыли перевести на ночь из открытого вольера в закрытый, тёплый. Бенджамин умер в сентябре 1936 года. А всего за два месяца до этого Тасмания наконец-то присвоила тилацину статус охраняемого вида.

Цифровая реконструкция тилацина, созданная исследователем и специалистом по компьютерной графике Дамиром Мартином

В течение многих лет, предшествовавших тому утру, местное население пребывало во власти суеверий. Истории об опасности тилацинов распространялись со скоростью лесного пожара в засуху, по пути обрастая всевозможными небылицами: якобы животное обладало невероятной силой, не погибало от пуль, а ещё могло полностью выпить кровь своей жертвы.

В то же время, пока тилацины всё ещё обитали в дикой природе, учёным так и не удалось в полной мере их изучить. Даже сегодня, когда не прошло и ста лет с момента гибели последнего тилацина, у учёных нет необходимой базовой информации об этом виде, несмотря на значительный интерес к нему.

Цифровая реконструкция пары тилацинов, созданная Дамиром Мартином

В частности, нам по-прежнему неизвестно, чем он питался, какими были его брачные игры, как он охотился, передвигался, взаимодействовал с окружающей средой и даже сколько он весил. Масса тела животного — это один из важнейших аспектов, который позволяет изучать и понимать особенности вида с научной точки зрения. Именно знания о весе позволяют добраться до основ поведения и психологии.

Сколько калорий он сжигал? Хорошо ли удерживал тепло? Как быстро переваривал пищу? Как часто ему требовалось питаться? На каких животных ему приходилось охотиться? Насколько хорошо ему подходила окружающая среда? Чтобы всё это понять с высокой степенью точности, для начала необходимо определить, сколько весили представители этого вида.

Любое направление науки зиждется на достижениях других наук. Это означает, что пока мы не добьёмся точного и достоверного понимания «Концепта А», мы не только будем постоянно неверно его истолковывать, но ещё и не сможем понять всё остальное, что непосредственно зависит от этого концепта.

Цифровая реконструкция пары тилацинов, созданная Дамиром Мартином

Группа учёных, которая несколько десятков лет занималась исследованием тилацинов, обратила внимание на то, что мы до сих пор не знаем точную массу тела этого животного. Однако несмотря на то, что проблема была обозначена, она так и не была решена. Чаще всего высказывались мнения, что особь тилацина в среднем весила около 25‒29 кг. Но никто в этом не был уверен.

Кроме того, необходимо было прояснить ещё один серьезный вопрос: выходил ли тилацин за пределы порога энергетического баланса (так называемой «платы за плотоядность»). Сторонники этой теории считают, что хищники весом до 14 кг вынуждены охотиться на животных значительно меньшего размера, чем они сами.

По той же теории, хищники весом около 21 кг и более (к ним, например, относятся волки и ягуары) обычно охотятся на зверей, которые имеют одинаковый с ними или больший вес. Что же касается хищных млекопитающих весом от 14 до 21 кг (например, лис и лесных кошек), то они, как правило, питаются животными меньшего размера, но могут при необходимости охотиться и на зверей, чья масса тела превышает их собственную.

Цифровая реконструкция тилацина, созданная Дамиром Мартином

Не имея точного представления о диапазоне массы тела особей тилацина, невозможно с научной достоверностью ответить на вопросы, касающиеся питания и других данных об этом животном.

Понимая необходимость решения этого вопроса, кандидат наук Университета Монаша Дугласс Ровински вместе с тремя другими исследователями, включая доктора Джастина Адамса, взялся за проект, способный изменить весь процесс изучения исчезнувших видов.

Все подробности проекта опубликованы в научном журнале Proceedings of the Royal Society B под названием «Выходил ли тилацин за пределы платы за плотоядность? Масса тела и половые различия знаменитого австралийского сумчатого» (прим.: английское название статьи «Did the thylacine violate the costs of carnivory? Body mass and sexual dimorphism of an iconic Australian marsupial»).

Ровински объясняет важность этого проекта: «Чем больше мы знаем о тилацине, как и обо всех вымерших животных, тем больше мы будем понимать, как ныне живущие особи будут приспосабливаться к изменениям окружающей среды, которые чрезвычайно быстро происходят и на глобальном, и на локальном уровне».

В рамках этого исследования ученые посетили музеи и другие организации в разных странах мира, включая Смитсоновский научно-исследовательский и образовательный институт, где они работали непосредственно с останками особей тилацина (отметим, что в мире их сохранилось крайне мало).

Ровински с коллегами очень быстро поняли, что рассчитывать исключительно на традиционную оценку массы тела методом линейной регрессии (когда измеряются зубы животного) не совсем верно, поскольку при работе с останками вымерших животных этот способ зачастую оказывается крайне неточным.

Чтобы это сделать, необходимо сравнить животное с ныне живущим ближайшим родственником вымершей особи. У тилацина таким родственником является намбат —небольшое, покрытое мехом сумчатое животное весом в 500 грамм, которое питается термитами. Безусловно, о сравнении пропорций этих двух млекопитающих не может быть и речи.

Команда Ровински решила объединить результаты, полученные различными методами оценки массы тела. Они сделали следующее: сначала провели линейную регрессию зубов и верхних костей передних и задних лап, построили выпуклую оболочку вокруг оцифрованного в 3D скелета тилацина, затем создали реалистичное изображение на основе 3D-скана, и, наконец, в цифровой среде взвесили отсканированные чучела и модели тилацинов (на базе тех же отсканированных скелетов, из которых были получены выпуклые оболочки).

Верхний ряд слева направо: скан скелета тилацина, полученный с помощью Artec Leo, и объемная модель в виде выпуклой оболочки, созданная на основе скелета для цифрового взвешивания
Нижний ряд: объемные 3
D-модели тилацинов, созданные на базе скелета (с текстурой и без неё), которые использовались для взвешивания

Чтобы должным образом реализовать такой масштабный проект, перед началом многоэтапного анализа было необходимо отсканировать в 3D сотни особей тилацина, а затем перевести сканы в максимально точные 3D-модели, подходящие для точнейшего измерения.

Одной из проблем, с которой столкнулась команда Ровински, оказалась логистика: останки тилацина находились в 18 разных музеях и институтах, начиная от местного музея в Мельбурне, различных музеев на территории Австралии и Тасмании, и заканчивая несколькими учреждениями в США, Европе и Великобритании.

Чтобы оцифровать особей тилацина для анализа их массы тела, в этих поездках ученые использовали лёгкий портативный 3D-сканер Artec Space Spider, который позволяет получать данные с субмиллиметровой точностью. Ровински и Адамс по отдельности посещали эти музеи и институты, и сканировали сотни образцов: кости, черепа, скелеты, чучела тилацинов, а также сохранившиеся останки целых тилацинов.

Доктор Джастин У. Адамс сканирует сохранившиеся останки самки тилацина с помощью Artec Space Spider в Шведском музее естественной истории

Ещё до начала проекта Ровински и Адамс отказались от использования традиционных методов измерения штангенциркулем, рулеткой и линейкой. Впрочем, они не рассматривали и более современные способы: инфраструктуру геоданных и фотограмметрию. Время, которое они могли провести в каждом музее, было ограничено. Кроме того, нельзя было подвергать экспонаты ненужным рискам из-за прикосновений к ним.

При использовании методов предыдущего поколения ученым потребовалось бы много времени на оцифровку образцов, не говоря уже о том, что сотрудникам музеев пришлось бы на много часов оторваться от своих обязанностей и контролировать процесс съёмки. И при этом результаты оцифровки были бы значительно хуже, чем при 3D-сканировании с помощью Artec Space Spider.

Риски, связанные с повреждением образцов при использовании старых методов, вызваны тем, что необходимо многократно поднимать и менять положение объекта в процессе измерения. В ходе 3D-съёмки сканером Artec Space Spider точность данных составляет до 0,05 мм, а сама оцифровка проходит в десятки раз быстрее, чем при использовании традиционных методов, поскольку специалисты либо совсем не прикасаются к экспонатам, либо делают это минимальное количество раз.

Доктор Джастин У. Адамс оцифровывает сохранившиеся останки самки тилацина в Шведском музее естественной истории 3D-сканером Artec Space Spider с субмиллиметровой точностью

Сотрудники музеев были просто потрясены высокой скоростью сканирования и максимально низким риском для экспонатов, поскольку благодаря этому они отрывались от своих привычных дел всего на несколько минут. И всё же кураторы и сотрудники музеев зачастую стояли рядом и наблюдали за работой сканера Space Spider, поскольку их переполняло обычное чувство любопытства.

«Они были потрясены тем, как быстро и легко работает Space Spider, потому что по сравнению с другими исследователями, которые пользовались не такими интструментами, мы не требовали особых условий работы: просторного помещения, контролируемого освещения или большого количества времени», — рассказывает Ровински.

Он также поделился тем, насколько удивлены были сотрудники музея ещё до начала работы 3D-сканера Space Spider: «Они дали нам коробку с 12 экспонатами, на что мы ответили, что закончим примерно через два часа и после этого хотели бы увидеть следующие 12 образцов. Да, для них это было очень непривычно, поскольку обычно для сбора такого объёма данных требуется значительно больше времени».

Что касается непосредственной работы с останками животного с помощью Space Spider, Ровински со временем отточил процесс съёмки до мелочей. При оцифровке чего-то простого, например, верхней кости передней лапы волка или тилацина, «работа идет относительно просто и быстро, и на каждый экземпляр уходит всего несколько минут. Я обычно снимаю всё тремя сканами: устанавливаю объект на маленький портативный поворотный столик и оцифровываю его за нескольких вращений. Я стараюсь, чтобы в каждом скане было около 400 кадров. Затем я переворачиваю объект и повторяю процесс ещё раз».

Ведущий научный сотрудник Дугласс Ровински сканирует череп тилацина с помощью Artec Space Spider в Музее королевы Виктории

Что касается черепов, некоторые из них бывают довольно простыми, в то время как другие намного сложнее отсканировать целиком. «Особенно непросто с крупными черепами, для съёмки всех деталей которых требуется вплоть до 9 сканов. Сложности возникают с труднодоступными углублениями: так, чтобы целиком отснять челюстную кость, скулы, орбиты и другие части требуется сделать несколько сканов», — описывает процесс Ровински.

Обработку сканов в Artec Studio Ровински предпочитает проводить после того, как покинет музей. «Редактирование, склейку и всё остальное я делаю позже. Я уже привык к такому алгоритму работы, чтобы как можно меньше тревожить и отвлекать сотрудников музея. Когда я получаю доступ к коллекции, я просто сканирую всё, что мне нужно, и ухожу. А обработкой сканов занимаюсь уже после того, как всё отснял».

Он продолжает: «Я могу просто взять Space Spider и за один день полностью отсканировать от 20 до 30 экспонатов. Это значит, что если я еду в командировку, то спустя несколько недель возвращаюсь домой с сотнями отсканированных образцов. Они отличаются очень высоким разрешением и точностью. Полученной информации нам более чем достаточно, чтобы продолжать работу».

Ровински описывает свой алгоритм работы в Artec Studio: «Сначала я вручную совмещаю сканы и затем запускаю глобальную регистрацию только с геометрией объекта. После этого использую точную склейку, устанавливая разрешение в зависимости от размера объекта. Как правило, для объектов размером с голову собаки или меньше я устанавливаю значение в 0,1 пункт, а если они больше, то склеиваю сканы со значением 0,2».

Он продолжает: «После этого я один или два раза использую алгоритм сглаживания, а затем — быстрое упрощение полигональной сетки до 600 000 треугольников. Если честно, даже 600 000 полигонов — это более, чем достаточно. Конечно, есть разница между черепом, состоящим из 1,5 миллионов полигонов, и тем, в котором 600 000 полигонов, но важна ли эта разница для палеонтологии — вопрос открытый».

На следующем этапе проекта Ровински работал с компанией Thinglab из Мельбурна, партнёром Artec 3D, имеющим золотой статус. Вместе они отсканировали скелеты и чучела особей тилацина в Тасманском музее и художественной галерее. Для этого проекта использовался беспроводной 3D-сканер со встроенным сенсорным экраном Artec Leo. Он позволил получить сканы нескольких скелетов и чучел тилацина, имеющихся в музее. Цифровые скелеты затем использовались для создания моделей выпуклых оболочек, а также в качестве основы для 3D-скульптур.

Бен Майерс из Thinglab сканирует скелет тилацина с помощью Artec Leo в Тасманском музее и художественной галерее

Бен Майерс, директора по 3D-сканированию компании Thinglab, делится впечатлениями: «Мы обожаем сканер Leo и уже использовали его для множества проектов (не говоря уже о том, что им сканируют многие наши клиенты). У него целый набор потрясающих функций. Технология сбора даных с поверхности на основе лазерного излучения с вертикальным резонатором значительно превосходит другие типы подсветки в плане регистрации поверхностей, которые раньше было очень сложно оцифровать».

3D-модель скелета тилацина, полученная в Тасманском музее и художественной галерее с помощью Artec Leo

Он продолжает: «Трекинг просто потрясающий. Он позволяет просто двигаться вокруг объектов, даже имеющих сложную геометрию, и легко оцифровывать каждый участок поверхности. И, конечно, отсутствие проводов и встроенный экран делают процесс 3D-съёмки значительно проще и эффективнее».

Бен Майерс из Thinglab сканирует чучело тилацина с помощью Artec Leo в Тасманском музее и художественной галерее

На одном из завершающих этапов проекта Ровински обратился к коллеге, Дамиру Мартину — специалисту по компьютерной графике. Мартин, который привык в мельчайших подробностях реконструировать палеонтологический мир, с радостью взялся за создание реалистичных 3D-моделей тилацина.

Стоит отметить, что ещё до начала этого проекта Мартин подробно изучал тилацинов и создал множество изображений животного в естественной среде Тасмании.

В качестве основы для своей работы Мартин взял сканы скелетов и чучел животного, полученные с помощью Leo. Затем, вооружившись всеми доступными знаниями о тилацине, а также информацией от коллег, включая Ровински и Адамса, он шаг за шагом создал в ZBrush цифровые модели мышечного каркаса и внешнего вида каждой особи. Как только модели были готовы, их взвесили в цифровой среде и передали полученные данные дальше вместе с другой информацией, позволяющей оценить массу тела.

Анатомически точная 3D-модель тилацина, созданная Дамиром Мартином

Вот как Мартин комментирует свою работу: «У меня всегда был особый интерес к вымершим животным. Тилацин — по многим параметрам удивительный зверь. Просто пригядитесь к его загадочной, уникальной внешности. К сожалению, большинство проведённых реставрационных работ и реконструкций были неточными с художественной точки зрения, поскольку не отражали мельчайших особенностей этого сумчатого. Но благодаря редким фотографиям и сохранившимся фрагментам съёмки мы в принципе знаем, как тилацин выглядел в реальной жизни. В общем, этот проект стал интересным профессиональным вызовом».

Собрав воедино все имеющиеся данные, полученные после анализа массы тела (на основе 93 особей тилацина и 207 сканов), Ровински со своей командой определил, что фактический вес самца тилацина оставлял около 19 кг, а самки — около 14 кг. То есть самцы были примерно на 30% крупнее самок.

Ровински также пришёл к выводу, что в дейстительности вес представителей этого вида составлял примерно 55% той величины, на которую десятилетиями ориентировались учёные. Таким образом, стало очевидно, что тилацин не выходил за пределы порога энергетического баланса, поскольку относился к хищникам среднего размера (точно соответствовал диапазону 14‒21 кг), которые обычно охотятся на зверей с меньшей массой тела, но время от времени могут питаться и более крупными особями.

Успех этого проекта является лишь одной из граней крупномасштабного исследования по эволюционной биологии тилацина. Из полученных данных проистекает более подробный анализ рациона, поведения и морфологии данного вида. Особую роль во всех этих научных изысканиях будут играть собранные по всему миру 3D-данные.

Адамс делится своим мнением о том, насколько важное значение имеет 3D-сканирование в работе такого рода: «Палеонтологи наконец начинают осознавать, что методы трёхмерной визуализации позволяют получать более точные и полные данные о массе тела. Они просто лучше работают, потому что даже при цифровом измерении на компьютере мы получаем массу формы объекта, а не пытаемся понять, куда поместить две переменные на линии регрессии».

«3D-технология радикально меняет наше представление об оценке размеров вымерших животных. Думаю, в будущем эти технологии будут использоваться в таких целях намного чаще. А если учесть скорость и простоту работы со сканером Artec Space Spider или Leo, а также точность данных, получаемых с их помощью, то переоценить вклад новейших технологий невозможно».

Ровински комментирует ключевую роль 3D-данных: «Сложность заключается в том, что для создания полномасштабной 3D-реконструкции организма необходимо иметь достаточно данных о нём. Но именно данных у большинства палеонтологов нет».

«Мне бы не удалось добиться такой степени точности, если бы в моем распоряжении было всего несколько особей, которые можно было измерить, а также если бы мне не удалось получить доступ к скелетам и строить дальнейшую работу на их основе. У большинства палеонтологов нет даже целой кости исследуемых животных, не говоря уже о полных скелетах. Таким образом, сканеры Artec позволили нам легко собрать достаточный массив данных».

Ровински подчеркивает важность этого проекта: «Чем ближе к реальности будут наши представления об этом удивительном животном, тем лучше. В конечном счете, все данные, все наши наблюдения и соображения будут в лучшем случае второстепенны, поскольку, к сожалению, тилацина с нами больше нет».

Он продолжает: «Все наши исследования и данные проходят через фильтр наших личных наблюдений, интерпретаций и измерений. Именно поэтому нам крайне важно знать такие фундаментальные показатели, как масса тела. Этот аспект может показаться несущественным, однако он влияет на множество других исследований, которые мы проводим на основе полученных данных об этом животном».