Звери до нас. Нерассказанная история происхождения млекопитающих - Эльза Панчироли

томография стала неотъемлемой частью современной палеонтологии. КТ особенно полезна для изучения позвоночных животных, но ее можно использовать также для изучения беспозвоночных, растений и горных пород. Большинству из нас компьютерная томография знакома из-за ее медицинского применения – например, после несчастного случая. Мы не раз видели в телесериалах про больницу, как пациент заезжает в круглое отверстие аппарата размером с комнату. Команда врачей в комнате управления рассматривают внутренности, высвечиваемые на экранах, и ставят диагноз. Если отбросить художественную вольность, как раз для этого и была разработана компьютерная томография. Это разновидность рентгеновского аппарата, позволяющего видеть внутреннюю структуру объектов, в том числе людей.

Компьютерная томография, также называемая КАТ (компьютеризированная аксиальная томография), была разработана в 1960-х годах, а первое клиническое испытание было проведено в 1971 году. Два человека, сыгравшие ключевую роль в ее разработке, – южноафриканский физик Аллан Маклауд Кормак и английский инженер-электрик Годфри Ньюболд Хаунсфилд, – получили за свои достижения Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1979 году.

Компьютерная томография работает по принципу радиоплотности. То есть излучение электромагнитного спектра легче проходит через одни материалы, чем через другие. Материалы, которые не пропускают через себя электромагнитное излучение, называются радиочувствительными, а те, которые пропускают, – радиопрозрачными. Прозрачность измеряется по шкале Хаунсфилда (HU). Так, прозрачность дистиллированной воды составляет 0 HU, воздуха – 1000 HU, а костей – в диапазоне от +400 до +1000 HU. Хитрость коммерческого применения заключалась в том, чтобы найти способ использовать радиоплотность в трехмерном просвечивании объекта.

Рентгеновские лучи – естественная часть электромагнитного спектра. На одном конце спектра более низкие длины волн включают видимый свет – мир, который мы видим нашими, пускай и несколько ограниченными глазами. Еще ниже находятся инфракрасные, микро- и радиоволны. На более высоких длинах волн находятся ультрафиолетовые лучи, видимые некоторым насекомым и птицам. Ультрафиолетовое излучение от солнца достигает уровней, которые были бы смертельны для жизни на Земле, если бы не фильтрующий эффект нашей атмосферы. Тем не менее именно ультрафиолет вызывает солнечные ожоги и может привести к раку кожи. Далее следуют длины волн рентгеновского излучения, используемые в сканерах аэропортов, больничных установках, промышленности и науке. На еще более высоких длинах волн находятся гамма-лучи, которые имеют наименьшую длину и, следовательно, самую высокую энергию из всех.

На обычном рентгеновском снимке, например, сломанной кости вы увидите кость в плоской двумерной проекции. Что, конечно, чрезвычайно полезно, но может рассказать не так уж много. Компьютерная томография позволяет получить трехмерное изображение путем захвата множества отдельных проекций, а затем с помощью сложной математики реконструируя все изображение. При первом сканировании в 1971 году было получено 180 отдельных изображений, каждое из которых заняло пять минут, а последующая реконструкция заняла два с половиной часа. В наши дни КТ большинства небольших окаменелостей занимает в общей сложности менее часа, иногда всего несколько минут, хотя все зависит от размера и природы сканируемого материала.

Результатом этого процесса сканирования и реконструкции становится серия срезов объекта по осям x, y и z. Другими словами, мы можем смотреть на срезы с любого угла, будь то ископаемое или человек, не только в горизонтальной и вертикальной плоскости, но и вглубь. Изменяя настройки сканера, мы можем фиксировать различную радиоплотность сканируемого материала, чтобы различать типы материалов: живые ткани, воздух, жидкости, горные породы и минералы – целая уйма возможностей.

Компьютерная томография используется в палеонтологии с 1980-х годов. В двух самых первых научных работах, в которых применили КТ, рассматривались черепа млекопитающих: копытного млекопитающего из миоцена (между 5 и 23 миллионами лет назад) и Homo erectus. Размытые изображения в этих двух публикациях 1984 года больше похожи на тесты Роршаха, чем на срезы окаменелостей6,7. Но и их можно было считать значительным прогрессом по сравнению с методами предыдущих 80 лет.

Самое большое преимущество компьютерной томографии – возможность увидеть структуру окаменелостей, не разрушая их. В геологии давно устоялась практика делать вручную тонкие срезы. Использовавшиеся с начала 1800-х годов для изучения структуры горных пород, они могли использоваться (и используются до сих пор, особенно в палеогистологии) для исследования внутренней структуры окаменелостей. Однако в 1903 году один ученый придумал новый метод.

Уильям Джонсон Соллас был профессором геологии и палеонтологии в Музее естествознания Оксфордского университета в начале двадцатого века, его называли «одним из последних настоящих эрудитов в геологии»8. Он изобрел процесс последовательного секционирования, аналоговую версию компьютерной томографии. Вместе со своим коллегой преподобным Ф. Джервисом-Смитом Соллас создал устройство, с помощью которого можно было вручную шлифовать поверхность окаменелости, останавливаясь через определенные промежутки времени.

«Каждый срез рисуют с помощью камеры-люциды [87] или фотографируют под микроскопом», – объяснил Соллас в своей статье для Королевского общества. «Фотография предпочтительнее рисунка, им можно доверять в спорных вопросах…»9 Но если бы споры и возникли, разрешить их было бы трудно: после завершения процесса секционирования окаменелость стиралась в пыль. «Окаменелость уничтожается в процессе», – отмечал Соллас.

Соллас с энтузиазмом принялся за изучение каждого ископаемого, до которого только мог дотянуться. Хранители музеев, однако, не горели желанием, чтобы их драгоценные коллекции подвергались безвозвратному уничтожению. Но на основе полученных изображений исследователи научились создавать восковые модели, которые отображали внутреннюю структуру давно умерших организмов с беспрецедентной детализацией.

Этот процесс был не только разрушительным, но и очень медленным, особенно когда дело касалось крупных окаменелостей. Один палеонтолог потратил целых 25 лет на тщательное измельчение и описание только одной девонской ископаемой рыбы. Последовательное секционирование использовала и Зофья Келан-Яворовская – возможно, величайший палеонтолог всех времен – в изучении анатомии ископаемых млекопитающих мелового периода из Монголии (в следующих главах мы познакомимся с ней поближе).

Очевидно, что возможность запечатлеть внутреннюю структуру окаменелостей, не измельчая их в порошок, стала огромным шагом вперед. С 1980-х годов изображения КТ значительно улучшились, а методика стала более доступной. Первоначально палеонтологам приходилось искать промышленных или медицинских сотрудников, которые разрешили бы им воспользоваться аппаратурой. Сейчас в университетах и музеях нередко бывают свои сканеры. И теперь они не заполняют собой целое помещение, будучи размером примерно с кухонную плиту.

В изучении окаменелостей в основном используется микро-КТ. Эти сканеры мощнее медицинских и могут фокусироваться на объектах меньшего размера, но с гораздо более высоким разрешением, при этом рентгеновские лучи способны проникать даже сквозь более плотные материалы, например камень. Однако микро-КТ разрушительнее для органических тканей, поэтому ее нельзя использовать на людях, поскольку это чревато повреждением тканей.

Эти аппараты напоминают микроволновые печи, с толстыми внешними корпусами для удержания рентгеновских лучей и раздвижной дверцей с крошечным коричневым окошком спереди. Внутри окаменелость устанавливается на крутящемся