XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Что может рассказать зуб динозавра: восстановление облика и образа жизни древнего животного по фрагменту окаменелости с использованием 3D-моделирования и цифровых технологий

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мосальский Д.С. 1

---

1ГБОУ г. Москвы «Школы № 2070 имени Героя Советского Союза Г.А. Вартаняна»

Терзиян И.М. 1

---

1ГБОУ г. Москвы «Школы № 2070 имени Героя Советского Союза Г.А. Вартаняна»

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Фоссилии или окаменелости (лат. fossilis — ископаемый, окаменелость в палеонтологии) — ископаемые остатки организмов или следы их жизнедеятельности, относящиеся к прежним геологическим эпохам.

Фоссилии предоставляют важную информацию об организмах эпохи своего образования. Следует отметить, что в окаменелости превращается лишь небольшая часть вымерших растений и животных (Приложение 1). Как правило, их останки либо поедались другими животными, либо разлагались под воздействием внешних условий. Раковины и твердые костные останки живых организмов сохраняются дольше, но в итоге и они разрушаются. И только при совокупности определенных условий останки превращались в окаменелость, например, над умершим животным или растением должен был быстро образоваться осадочный слой песка или ила. В этом случае останки лишались доступа воздуха и в результате не загнивали. За многие миллионы лет нижние осадочные слои под давлением новообразующихся верхних слоев превращались в твердую породу. В конечном итоге под тяжестью верхних слоев вода из нижних слоев вытеснялась. Но минералы, содержащиеся в воде, оставались внутри нижнего слоя, способствуя скреплению осадочных слоев и их затвердеванию. Эти минералы откладывались также в останках растений и животных, заполняя промежутки или заменяя их раковины. Таким образом останки превращались в камень и сохранялись на миллионы лет. Спустя длительное время, столкновение материков способно выдавить образовавшуюся миллионы лет назад горную породу на поверхность. Затем дождь, ветер или вода постепенно разрушают породу, открывая скрытые в ней окаменелости.

Наука, изучающая окаменелости, называется палеонтологией, что в переводе с греческого означает «изучение древней жизни». К сожалению, воссоздать картины прошлого не просто, потому что под воздействием природных факторов останки сдвигаются, части уничтожаются, нарушается покров защитных осадочных слоев. А у многих животных и растений не было шансов сохраниться в ископаемом виде из-за условий местности и отсутствия достаточного количества осадочного материала.

Одно из самых увлекательных занятий палеонтолога – сборка цельной окаменелости из немногих уцелевших ее фрагментов. Современная палеонтология — это не только «поиск костей», а междисциплинарная наука, использующая технологии, математику и цифровые модели, методы, взятые из широкого спектра наук, включая биохимию и инженерное дело. Например, для определения возраста ископаемого, палеонтологи используют стратиграфический метод – возраст ископаемого определяют по возрасту пород, в которых он был найдет.

Актуальность:

Актуальность данной работы заключается в том, что одна из самых встречающихся окаменелостей динозавров – это одиночные зубы. Но значительная часть таких находок остается недостаточно изученными. Современная палеонтология всё чаще использует цифровые технологии, такие как 3D-моделирование и компьютерный анализ формы, искусственный интеллект. Моя работа по изучению ископаемого зуба с использованием 3D-модели позволяет показать, какие данные о древнем животном можно получить даже по одному фрагменту, и какие ограничения при этом существуют. А изучение только одного ископаемого зуба позволяет не только уточнить его принадлежность к определённой группе динозавров, но и реконструировать особенности образа жизни животного.

Новизна:

Новизна работы заключается в использовании цифровых технологий и 3D-моделирования для изучения ископаемого зуба динозавра и восстановления образа жизни древнего животного на уровне школьного исследования.

Цель работы:

Выяснить, какую информацию о древнем динозавре (его питании, размерах и образе жизни) можно получить по одному ископаемому зубу с использованием 3D-моделирования и цифровых методов исследования.

Задачи работы:

1. Изучить, что такое ископаемые зубы динозавров и зачем их изучают палеонтологи.

2. Рассмотреть строение зуба динозавра (форма, размер, острые края).

3. Выполнить измерения ископаемого зуба и зафиксировать результаты.

4. Создать 3D-модель зуба динозавра с помощью цифровых технологий.

5. Сравнить исследуемый зуб с зубами известных динозавров и современных животных.

6. Предположить тип питания динозавра на основе формы зуба.

7. Сделать вывод о возможном размере и образе жизни динозавра.

8. Оценить, как современные технологии помогают палеонтологам работать с неполными находками.

Гипотеза:

Если изучить форму и размеры ископаемого зуба динозавра с помощью 3D-моделирования, сравнения с известными данными, использовать искусственный интеллект, то можно определить вид динозавра, тип его питания, образ жизни, даже не имея полного скелета.

Методы исследования:

1. визуальный осмотр;

2. измерение линейкой и штангенциркулем;

3. фотограмметрия;

4. сравнение с эталонными изображениями;

5. цифровое 3D моделирование;

6. анализ литературы и изображений.

Результаты:

1. длина, ширина, форма зуба;

2. наличие зазубрин;

3. предположение: хищник / травоядный;

4. вывод о росте, весе, способе питания, образе жизни;

5. 3D модель;

6. таблицы.

Объект исследования:

Зуб динозавра

Предмет исследования:

Морфологические особенности ископаемого зуба динозавра (форма, размеры, степень изогнутости, наличие зазубрин) и возможности их анализа с использованием 3D-моделирования и цифровых технологий.

Выводы:

1. что удалось узнать;

2. в чём помогли технологии;

3. чем это полезно науке, какие методы могут помочь будущим ученым.

Практическая значимость:

Практическая значимость данной работы заключается в том предложенный подход к изучению ископаемого зуба динозавра с использованием 3D-моделирования и цифровых технологий может быть применён при анализе фрагментарных палеонтологических находок, когда отсутствуют целые скелеты. 3D-модель позволяет проводить точные измерения, увеличивать изображение для изучения структуры, сравнивать форму образца с опубликованными образцами и визуализировать результаты исследования без риска повреждения оригинального ископаемого.

Полученные результаты могут использоваться в учебной и исследовательской деятельности школьников для знакомства с современными методами палеонтологии, а также при подготовке наглядных материалов для уроков окружающего мира, биологии, естествознания и музейных экспозиций. Работа демонстрирует, что даже одиночный ископаемый объект может стать основой для научного исследования с применением современных технологий.

2. Основная часть

   1. Ископаемые зубы динозавров и их значение для палеонтологии

Ископаемые зубы динозавров это – одни из самых часто встречающихся окаменелостей динозавров. Это связано с тем, что зубы покрыты прочной эмалью, хищные динозавры часто теряли зубы во время охоты, зубы хорошо сохраняются в осадочных породах. Зубы часто становятся единственным свидетельством присутствия динозавра в древней экосистеме.

По форме зуба можно понять был ли динозавр хищником или травоядным, определить его рацион питания, ел ли он мясо, рыбу или растения. Например:

- острые, изогнутые зубы принадлежали хищникам;

- плоские зубы принадлежали растительноядным динозаврам;

- конические зубы указывали на основной тип питания рыбой.

Хотя одного зуба часто недостаточно для точного определения вида, по нему можно определить:

- отряд (например, тероподы);

- семейство (например, спинозавриды, кархародонтозавриды);

- иногда — вероятный род.

При нахождении разных видов зубов на небольшой территории в одном слое, ученые могут провести реконструкцию экосистем и понять, сколько хищников жило в регионе, какие пищевые ниши они занимали, как была устроена пищевая цепь.

По размеру и износу зуба можно предположить:

- был ли динозавр молодым или взрослым;

- как часто он ел;

- насколько активно использовал зубы.

Ученые палеонтологи используют различные методы исследования зубов, среди которых:

- микроскопия;

- 3D-сканирование;

- цифровые измерения;

- сравнение с базами данных;

- компьютерный анализ формы;

- искусственный интеллект.

Важно отметить, что один зубне всегда позволяет точно определить вид. У разных динозавров зубы могут быть похожи, поэтому выводы часто имеют вероятностный характер.

1. 2. Исследование образца зуба динозавра.

Объект моего исследования – зуб динозавра (Приложение 2). По информации о месте находке, известно, что исследуемый зуб был найден на территории Марокко, в геологической формации Кем-Кем (Приложение 3), которая в прошлом была дельтой реки. Эта формация хорошо изучена палеонтологами, пласты формации Кем-Кем относятся к сеноманскому ярусу позднего мелового периода (от 112 до 94 млн лет назад). Следовательно, можно предположить, что возраст исследуемого ископаемого зуба составляет от 112 до 94 миллионов лет. Дополнительно отмечу, что я не определял возраст зуба самостоятельно, а использовал данные о геологическом возрасте формации, в которой он был найден.

Формация Кем-Кем известна уникальной фауной, включающей находки гигантских хищных динозавров, птерозавров и древних крокодилов, как например:

• • кости и зубы Carcharodontosaurus saharicus — одного из самых крупных хищных динозавров (около 13 м в длину);

  • кости и зубы Spinosaurus aegyptiacus — гигантского динозавра, который вёл околоводный образ жизни;

  • остатки крупных птерозавров (Siroccopteryx moroccensis) и крокодиломорфов.

Визуальный анализ и измерения опытного образца:

Табл. 1

1. 3. Применение 3D-моделирования и сравнительный анализ в исследовании.

С помощью приложения Qlone (Приложение 4), установленного на смартфон я провел 3D-сканирование и создание трехмерного изображения исследуемого зуба. 3D-моделирование позволило создать точную копию образца, повторно выполнить измерения, увеличить модель, чтобы рассмотреть строение зуба, увидеть микроповреждения (сколы, трещины, неоднородность эмали), не повреждая оригинальный образец. Изучение 3D-модели помогло проанализировать форму, степень изогнутости и характер краёв зуба. Наличие 3D-модели дает возможность сравнить образец с зубами известных динозавров в электронном виде и сделать выводы о возможной принадлежности к определенному виду.

На основании проведенного визуального анализа, замеров и 3D-моделирования я смог внимательно рассмотреть зуб, составить таблицу (Табл. 1) с его характеристиками для дальнейшего определения вида. Промежуточный вывод моего исследования - зуб принадлежал хищному динозавру, т. к. имеет заостренную форму для разрывания пищи, немного изогнутый, для удержания пищи. По данным обзора геологии и палеонтологии формации Кем-Кем, ископаемые окаменелости, включая зубы, демонстрируют широкий спектр окраски, при этом зубы часто имеют более тёмные оттенки, что может быть связано с геохимическими условиями минерализации в различных осадочных слоях. Зуб имеет тёмно-коричневую окраску, характерную для ископаемых, прошедших длительный процесс минерализации. Цвет сформировался в результате химических процессов в породе и не связан с видом животного. Однако такая окраска типична для ископаемых из формации Кем-Кем.

Согласно исследованию ученых, мы знаем, что на территории, где был найден исследуемый зуб, обитали следующие виды хищных динозавров. Предположим, что ископаемый зуб принадлежит одному из этих видов и проведем следующий сравнительный этап исследования.

Табл. 2

1. 4. Получение информации об образе жизни на основании проведенных исследований.

В поздний меловой период территория современной восточной части Марокко представляла собой крупную речную систему (реки, дельты, поймы) с болотистыми равнинами, временными озерами. Климат был жаркий, тропический, с сезонными дождями. Это была не пустыня, а богатая водная экосистема, сравнимая с современной дельтой Амазонки или тропическими реками Африки. Формация Кем-Кем известна как «мир гигантских рыб». На ее территории во время раскопок палеонтологами были найдены различные следы многих видов рыб, в том числе Onchopristis (гигантская пилоносая рыба до 6 м), Mawsonia(древняя кистепёрая рыба), Lepidotes (крупная панцирная рыба), акулы (в т.ч. Cretolamna), водоплавающие животные. Рыба была многочисленной, крупной. Это был доступный источник пищи для хищных видов динозавров, обитающих в близи водоемов. Из сухопутных динозавров учеными были найдены ископаемые останки Rebbachisauridae (длинношеие зауроподы) и орнитоподов (мелкие растительноядные). Палеонтологи предполагают, что основной рацион хищных видов древних животных, обитающих на территории формации Кем-Кем составляла водная добыча, т. к. на относительно небольшой территории найдено необычно большое количество хищных видов. Другой источник пищи хищных динозавров данного региона – молодые зауроподы, ослабленные особи и падаль.

Так как формация Кем-Кем была богата рыбой, а исследуемый зуб имеет острый, конический и слегка изогнутый вид, можно предположить, что динозавр, которому принадлежал этот зуб, был хищником и мог питаться рыбой или мясом других животных.

На основе формы, размеров и 3D-модели зуба, а также сравнительного анализа с известными данными, можно предположить, что исследуемый зуб принадлежал динозавру семейства Spinosauridae, вероятно Spinosaurus aegyptiacus, представителей которых находили в формации Кем-Кем.

Имея информацию о том, что средний размер зубов спинозавридов, найденный в формации Кем-Кем составлял от 19 до 77 мм, а изучаемый мной экземпляр имеет длину 51 мм, можно предположить, что данный зуб принадлежал особи среднего размера. Средняя длина найденных экземпляров скелетов составляла по мнению ученых 12-17 метров, следовательно можно предположить, что изучаемый мной зуб принадлежал особи 14-15 метров. Ученые относят время обитания спинозавридов в формации Кем-Кем в меловой период 112–94 млн лет назад. Следовательно, исходя из места находки и геологического возраста формации, можно предположить, а также предположительного вида динозавра, можно сделать предположение, что изучаемый зуб имеет возраст от 112 до 94 млн лет.

1. 5. Применение искусственного интеллекта в исследовании

Проведем еще одно исследование. Сделаем фотографию зуба в хорошем качестве, загрузим и дадим запрос искусственному интеллекту определить, кому принадлежал этот зуб, без указания, что это зуб динозавра. Ниже прилагаю два ответа, полученных от двух разных ИИ после обработки запроса:

Первый ответ: По представленному изображению можно уверенно сказать, что это ископаемый зуб крупного хищного позвоночного, зуб конической формы, слегка сужающийся к вершине, без выраженных зазубрин (серраций), с гладкой, плотной эмалью, с хорошо заметной границей между коронкой и корнем, вершина зуба частично сколота (типично для прижизненного или посмертного повреждения).

По форме и строению зуб не принадлежит млекопитающим (нет жевательной поверхности), травоядным динозаврам (нет плоской коронки), кархародонтозавридам (Carcharodontosaurus) — у них плоские, «лезвийные» зубы с крупными зазубринами.

Наиболее вероятная группа - Теропод (хищный динозавр). С высокой вероятностью — семейство Spinosauridae (спинозавриды).

Второй ответ:по форме и сохранности — это ископаемый зуб крупной хищной морской рептилии, и с наибольшей вероятностью он принадлежал мозазавру (семейство Mosasauridae). Форма - вытянутая, коническая, почти круглое сечение, заострённый апекс, отсутствует выраженная кривизна. На поверхности эмали хорошо заметны продольные бороздки (стриации), что является характерным признаком мозазавров и некоторых плезиозавров. Эмаль гладкая, без зазубрин, нет пилообразных краёв (что исключает тероподных динозавров).

3. Заключение.

Ископаемые зубы динозавров являются важным источником информации для палеонтологии. Даже одиночный зуб может помочь определить тип питания, группу динозавров и особенности древней экосистемы. Современные методы, такие как 3D-моделирование и компьютерный анализ, позволяют получить из зубов значительно больше информации, чем раньше.

На сегодняшний день современные технологии не позволяют ученым палеонтологам по одному найденному зубу определить, что это было за животное. Научно-обоснованное сравнение и классификацию могут проводить палеонтологи только на основании многих факторов, используя огромные базы данных и накопленный опыт.

В то же время искусственный интеллект активно внедряется во все сферы нашей жизни, активно используется в некоторых сферах палеонтологии, помогая учёным быстрее находить, анализировать и интерпретировать ископаемые данные. Искусственный интеллект не может заменить работу палеонтологов, а может быть лишь инструментом, помогающим ученым ускорить работу по поиску или анализу информации. Качество выдаваемого результата зависит от обучающих данных. Интерпретация данных требует экспертного знания и контекста.

Мне был предоставлен ископаемый зуб динозавра. По одному зубу трудно определить, какому виду принадлежало животное и каким был его образ жизни. Я решил проверить, можно ли это сделать с помощью современных технологий, сравнительного анализа и применения ИИ. Опыт обработки информации в ИИ показал, что в зависимости от используемых баз данных ответ на основании одного и того же запроса может быть совершенно различным. Это доказывает, что полагаться только на искусственный интеллект нельзя, а нужно пользоваться различными источниками и анализировать всю имеющуюся информацию.

Напротив, 3D анализ помог лучше рассмотреть изучаемый экземпляр, приблизить разные части зуба, увидеть особенности и точную форму.

Моя гипотеза о том, что если изучить форму и размеры ископаемого зуба динозавра с помощью 3D-моделирования, сравнения с известными данными, использовать искусственный интеллект, то можно определить вид динозавра, тип его питания, образ жизни, даже не имея полного скелета не подтверждается. На основании изучения только одного зуба с использованием современных технологий и анализа данных, можно предположить вид динозавра, но точно определить его не получится.

4. Список литературы.

1. Бейли, Дж., Седдон, Т. Доисторический мир, Изд-во «Росмэн» перевод, 1995 г.

2. Скляр, С. С. Справочное издание. Книга знаний. 2335 фактов, Изд-во ООО «Книжный клуб «Клуб семейного досуга», г. Белгород, 2014 г.

3. Диксон, Д. Иллюстрированная энциклопедия Динозавры, Изд-во «Московский клуб», Москва, 1994 г.

4. «Geology and paleontology of the Upper Cretaceous Kem Kem Group of eastern Morocco» — монография/обзорвжурналеZooKeys (2020)

5. «New theropod dinosaur remains from the Upper Cretaceous of the Kem Kem Group (Eastern Morocco)» — Zoological Journal of the Linnean Society

6. «A combined approach to identify isolated theropod teeth from the Cenomanian Kem Kem Group of Morocco: cladistic, discriminant, and machine learning analyses» — Journal of Vertebrate Paleontology (2024)

7. «The pterosaurs of the Cretaceous Kem Kem Group of Morocco» — PalZ / Springer Nature (2023)

8. «Vertebrate footprints from the Kem Kem beds (Morocco): A novel ichnological approach to faunal reconstruction» — Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology (2013)

9. Википедия https/en.wikipedia.org/wiki/Kem_Kem_Group

Приложение 1. Процесс фоссилизации.

Приложение 2. Исследуемый образец.

Приложение 3. Карта формации Кем-Кем.

Приложение 4. 3D-модель исследуемого образца.

Приложение 5. Зубы Абелизаврид (Abelisauridae), найденные в формации Кем-Кем

Приложение6.Зубы Спинозаврид (Spinosauridae), найденные в формации Кем-Кем

Приложение 7. Зубы Кархародонтозаврид (Carcharodontosauridae, найденные в формации Кем-Кем