Книга: Динозавры. 150 000 000 лет господства на Земле

Компьютерное моделирование и изучение пищевого поведения динозавров

Компьютерное моделирование и изучение пищевого поведения динозавров

Мы неоднократно видели, как новые компьютерные методы позволяют палеонтологам проверять гипотезы о функционировании и поведении динозавров. Один из наиболее примечательных методов называется методом конечных элементов (МКЭ). Изначально он предназначался для изучения того, как здания или самолеты ведут себя при больших нагрузках: например, при сильном ветре или вибрации от мощных двигателей. МКЭ превращает трехмерный объект в сетку из крошечных многоугольников – полигонов. На сетку прикладывается усилие, и программа определяет, как распределяется давление и где находятся самые прочные и самые слабые участки. Эти участки подкрашиваются разными цветами: как правило, красным цветом обозначают области с самым высоким напряжением, а синим – с самым низким.

МКЭ стал чрезвычайно популярным методом изучения пищевого поведения и силы укуса, его использовали для исследования представителей основных групп динозавров. Первый эксперимент был проведен командой во главе с Эмили Рейфилд, которая в качестве объекта исследования взяла полный череп аллозавра. Оказалось, что череп аллозавра очень хорошо выдерживал нагрузки, даже более сильные, чем возникали при его укусе жертвы. Это открытие может подтвердить гипотезу, что аллозавр использовал весь череп как тесак, многократно ударяя жертву челюстями и нанося режущие раны.

Впоследствии МКЭ применили и к другим нептичьим тероподам: целофизису, карнотавру, бариониксуи тираннозавру, а также к завроподам, в том числе диплодоку и камаразавру. Результаты пока что соответствуют предыдущим гипотезам о кормовом поведении этих динозавров. Основным преимуществом МКЭ является то, что он дает гораздо более подробную информацию о функционировании черепа, чем прежнее изучение его общей формы и строения. Например, распределение нагрузки вдоль длинной узкой морды спинозаврида барионикса аналогично таковой в черепе крокодилов, в частности рыбоядного гавиала, что подтверждает гипотезу о том, что спинозавриды использовали свой череп аналогично крокодилам. Соответственно, МКЭ существенно расширяет наши возможности изучать череп как «механизм для питания».

Проведенное Эмили Рейфилд исследование тираннозавра показало, что его череп мог выдерживать огромные нагрузки, возникавшие при разгрызании костей, – а мы знаем, что он разгрызал кости, благодаря следам укуса тираннозавров на костях других динозавров и громадному копролиту, который мы обсудим позже. Исследование Рейфилд также показало, что часть нагрузки в черепе тираннозаврараспределялась через носовые кости вдоль верха морды. Видимо, этим объясняется, почему у тираннозавра(и других тираннозаврид) такие толстые, грубые, сросшиеся носовые кости – они играли решающую роль в противостоянии нагрузкам.

Применение МКЭ идет рука об руку с другими способами исследования черепа и скелета. Палеонтологи продолжают упорно трудиться, чтобы применять все более точные и математически строгие методы изучения поведения и анатомии вымерших животных.

Чем больше мы узнаем, тем больше понимаем, что МКЭ может показать лишь часть общей картины. В конце концов, животные состоят не только из костей. В работе черепа и других частей тела ключевую роль играют мышцы, связки и другие мягкие структуры. На самом деле их роль при укусах и питании настолько важна, что было бы опрометчиво полагаться только на данные изучения костей. Есть даже исследования современных животных, которые показывают, что части головы, испытывающие наибольшее напряжение при укусе, вовсе не совпадают с теми частями черепа, которые предсказаны на основе МКЭ!

Кроме того, этот метод дает хорошие результаты только тогда, когда изучаемый объект смоделирован точно. Недостаточно узнать общую форму объекта – нужно понять и его внутреннее трехмерное строение. Безусловно, МКЭ – полезный инструмент, но его нельзя использовать отдельно, так как в таком случае легко неверно интерпретировать полученные результаты. Им можно пользоваться, только когда собрано огромное количество информации.

Хорошая новость: наша способность решать эти проблемы – учитывать мягкие ткани и внутреннюю структуру костей – быстро растет. Современные компьютерные модели черепов и других частей скелетов динозавров намного сложнее, чем 10 лет назад, и наша способность понимать и моделировать кости, черепа и скелеты в 3D улучшается невероятно быстро.