Nowe technologie przyspieszają odkrycia w paleontologii. Dzięki modelowaniu i drukowi 3D udało się dokładnie zbadać żuchwę prassaka z Grenlandii

Nowe technologie zrewolucjonizowały paleontologię. Na podstawie żuchwy nowo odkrytego prassaka naukowcom udało się niedawno wyjaśnić, dlaczego u ssaków, w przeciwieństwie do innych zwierząt, zęby trzonowe mają więcej niż jeden korzeń. Tomografia komputerowa, modelowanie i druk 3D oraz analizy biomechaniczne pozwoliły sprawdzić, jak nasi przodkowie, przechodząc z owadożerności na wszystkożerność, zmodyfikowali swoje trzonowce. Nowe technologie pozwalają też zobaczyć, jak poszczególne kości reagują na naprężenia i jak zmiana kształtu kości wpływa na ich odporność.

W 2014 roku polscy badacze znaleźli na Grenlandii, w skałach sprzed 215 mln lat, szczątki najstarszego na świecie prassaka.

– Znaleźliśmy niekompletną żuchwę prassaka z Grenlandii zawierającą dwa zęby. Wydaje się, że to jest bardzo niewiele. Ale w czasie, z którego pochodzi ta skamieniałość, ponad 200 mln lat temu, nasi przodkowie przechodzili bardzo intensywną ewolucję uzębienia i żuchwy. Wtedy powstała charakterystyczna dla naszego organizmu budowa ucha wewnętrznego, wtedy też powstały korzenie w zębach policzkowych, rozdzielone na dwa lub trzy – wskazuje w rozmowie z agencją informacyjną Newseria Innowacje dr Mateusz Tałanda z Instytutu Biologii Ewolucyjnej Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego.

Odnaleziona żuchwa, jak się niedawno okazało, stanowiła przełom w ewolucji. Prassak z Grenlandii to nowy gatunek, pierwsze poznane ogniwo przejściowe między drobnymi owadożernymi prassakami a większymi, wszystkożernymi potomkami. Ich zęby są bardzo odmienne, a na podstawie szczątków udało się zobaczyć, jak wyglądało przejście z morfologii jednych do drugich. Gatunek kalaallitkigun jenkinsi jest najstarszym znanym prassakiem, który ma trzonowce z dwoma korzeniami.

Polscy naukowcy na wirtualnych modelach 3D sprawdzili, jak podział korzenia na dwa osobne wpływa na wytrzymałość zęba podczas gryzienia.

– Stworzyliśmy model trójwymiarowy takiego zęba za pomocą tomografii komputerowej, a następnie za pomocą analiz biomechanicznych sprawdziliśmy, co się będzie z nim działo, gdy poddamy go charakterystycznym naprężeniom podczas gryzienia. Porównaliśmy to z identycznym modelem zęba, u którego sztucznie połączyliśmy te korzenie ze sobą w jeden, czyli stworzyliśmy ząb, który pokazywał stan przodka, stan wcześniejszy. Okazało się, że ząb z rozdzielonymi korzeniami reagował na naprężenia znacznie lepiej niż ząb z połączonymi korzeniami, co pokazuje, że ta zmiana miała bardzo ważne znaczenie adaptacyjne i zwiększyła odporność zębów na złamanie – tłumaczy dr Mateusz Tałanda.

To przełomowe odkrycie. Wcześniej nikt nie znał przyczyny, dlaczego u ssaków korzenie zębów policzkowych są rozdzielone. To tylko pokazuje, jak ogromne znaczenie w paleontologii ma zastosowanie nowoczesnych technologii. Rozwój dużych internetowych baz danych paleontologicznych, stosowanie coraz bardziej wyrafinowanych modeli numerycznych do określania relacji między organizmami żywymi a organizmami kopalnymi oraz dostępność coraz dokładniejszych metod obrazowania, nie tylko w odniesieniu do postaci organizmów, ale także ich składu chemicznego, całkowicie zmieniły tę gałąź nauki.

– Za pomocą tomografii komputerowej udało nam się zajrzeć w głąb skamieniałości i obejrzeć ją z każdej strony. Dzięki temu mogliśmy zobaczyć budowę tego zęba ze wszystkich stron, we wszystkich trzech wymiarach. To było niezwykle istotne, by móc stworzyć realistyczne modele do analiz biomechanicznych – wskazuje ekspert. – Technika finite element analysis pozwoliła natomiast zobaczyć, jak poszczególne kości reagują na naprężenia i jak zmiana kształtu kości wpływa na ich odporność.

Wielu odkryć mogłoby nie być, gdyby nie wizualizacje i druk 3D. Wcześniejsze odlewy powstawały z gipsu, żywicy czy silikonu, nie pozwalały na odtworzenie całego kształtu skamieniałości i narażały je na uszkodzenia przy procesie tworzenia odlewów.

– Wydruk i modelowanie 3D pozwala na dokładne badanie bardzo delikatnych skamieniałości w o wiele precyzyjniejszy sposób. Do tej pory, gdy mieliśmy do czynienia z dużymi kośćmi, np. dinozaurów, mogliśmy je z łatwością oczyścić ze skały, obejrzeć z każdej strony. W przypadku bardzo małych skamieniałości, do których właśnie zaliczani są przodkowie ssaków, to nie było możliwe. W tej chwili możemy swobodnie to robić, możemy model takiej skamieniałości, która ma kilka milimetrów średnicy, wydrukować w kilkukrotnym czy kilkudziesięciokrotnym powiększeniu i oglądać równie łatwo jak kości dużych dinozaurów – tłumaczy dr Mateusz Tałanda.

Paleontologię zmienił także synchrotron, który wytwarza wiązki promieni rentgenowskich o wysokiej energii. Może  służyć do tworzenia szczegółowych map składu chemicznego skamieniałości i otaczających skał. Z kolei w badaniu śladów dinozaurów w Alpach pomagają drony.

– Za pomocą bardzo wielu zwykłych zdjęć możemy zrobić fotogrametrię, czyli tworzenie modeli trójwymiarowych. I w ten sposób możemy odtworzyć w trójwymiarowej przestrzeni całą ścieżkę zostawioną przez duże zwierzę w bardzo trudno dostępnym regionie ze wszystkimi szczegółami – wskazuje badacz z Instytutu Biologii Ewolucyjnej Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego.