Увидеть 200 миллионов лет истории развития вида в одной кости. Палеонтолог СПбГУ рассказал об изучении эволюции крокодилов

Ваша научная группа стала первопроходцем в изучении мозговой коробки крокодиломорф. Почему эти современные нам существа оставались до сих пор неизученными?

Материалы защиты и запись видеотрансляции доступны по ссылке.

Это хороший вопрос, поскольку исследование 2021 года, на котором во многом основывается моя диссертация, в основном касается современных нам животных — крокодилов. В настоящее время на планете их насчитывается от 25 до 29 видов. Такое расхождение связано с тем, что одни исследователи определяют виды по строению костей, а другие по мягким тканям и генетическим данным, а в этом случае можно выделить до 29 видов. Несмотря на то что крокодилы живут с нами бок о бок и представлены в любом зоологическом музее мира, разные части их черепа исследованы неоднородно. Изучать кости лица или крыши черепа значительно проще, поскольку они находятся снаружи, а вот до внутренних отделов и структур добраться сложнее. Раньше в ходе таких исследований черепа приходилось разрушать: их распиливали циркулярной пилой пополам или на несколько срезов. Естественно, при таком подходе детальность изучения была невысокой, поскольку трехмерная структура превращалась в набор двухмерных. Появление современных методов — компьютерной томографии и 3D-моделирования — позволило зоологам и палеонтологам изучать структуры, не разрушая их. При этом принцип используется такой же: томограф виртуально (безвредно для коллекционного образца) распиливает его на большое количество срезов. После этого мы в специальных программах начинаем искать границы костей и, как в детской раскраске, обводить интересующие структуры, а компьютер собирает из них трехмерный объект. Вы можете виртуально «вынуть» нужную кость из черепа, будь то даже единственный в мире ископаемый образец.

Всего в ходе работы над диссертацией я изучил порядка 75 особей современных крокодилов и 72 вымерших вида. В России не так много доступных для изучения черепов, и хотя они есть в коллекциях крупных музеев, мне приходилось использовать открытые данные из зарубежных репозиториев и других ресурсов, чтобы сравнить их с имеющимися материалами. Так было исследовано порядка 19 современных видов, некоторые из которых были представлены 10–20 образцами. Что-то изучалось по научным публикациям, для чего потребовалось поднимать литературу с XIX века. Данных накоплено действительно много, но все они разбросаны по крупицам: один факт в статье 1850 года, другой — 1920 года. В результате, когда я собрал все воедино, мы смогли узнать много нового о том, как устроена мозговая коробка крокодилов, а также более наглядно представить данные из прошлых работ. Таким образом, несмотря на то что этот отдел черепа изучается почти два с половиной века, оставалось немало вопросов, поскольку добраться до внутренних структур существовавшими ранее методами было сложно. А еще думаю, что, возможно, это никому не было настолько нужно, как мне: я интересуюсь этой тематикой с 2014 года и посвятил ей уже девять лет.

Чем вас привлекли крокодилы?

Это довольно забавная история. В детстве мне долгое время нравились динозавры, а вспомнил об этом я только к третьему году обучения в СПбГУ, когда нужно было выбирать, на чем ты планируешь специализироваться. Тогда я пришел к своему будущему научному руководителю Павлу Скучасу и спросил, кто из коллектива кафедры зоологии позвоночных занимается этой темой, — я даже не знал тогда, что он палеонтолог. Мне хотелось заниматься дромеозаврами. Если помните фильм «Парк юрского периода», там были велоцирапторы, которые бегали на задних лапах стаями и общались между собой, так они относятся к тому же семейству. Но Павел Петрович сказал, что в палеонтологии не все так просто. Для того чтобы изучать динозавров, необходимы кости, а все образцы по дромеозавридам в нашей стране уже изучаются другими исследователями. Среди свободных вариантов оставались ископаемые носороги и крокодилы. Естественно, я выбрал крокодилов, поскольку это практически родственники динозавров, они вместе относятся к одному большому таксону архозавров. Этой темой я занимаюсь начиная со своей бакалаврской работы, и стоит сказать, что до динозавров мне все-таки удалось добраться. Когда я стал старше и освоил некоторые научные методы, мы с коллегами опубликовали в 2020 году статью про мозг динозавра, и мы занимаемся этой темой до сих пор.

Почему именно мозговая коробка? Для работы над бакалаврской диссертацией мне предоставили материал — довольно большой объем изолированных костей, с которым было сложно работать. Представьте, как будто 100 особей четырех видов разобрали на части, перемешали и выложили перед вами. Это был чистый пазл. Чтобы разделить кости по категориям, нужно было детально разбираться в анатомии и признаках, характерных для разных групп. Я начал изучать современных крокодилов, чтобы понять, как устроена каждая кость, какими признаками она обладает, чем они различаются у разных групп крокодилов.

Тогда я стал обращать внимание на устройство мозговой коробки. Нейрокраниум современных аллигаторов отличается от того, что есть у крокодилов, а вот кости возрастом 90 млн лет на него похожи. Когда начал искать подтверждение своим наблюдениям в литературе, то понял, что предыдущие исследователи этого не замечали. Так я понял, что нашел научную проблему и буду работать в этом направлении. В диссертации я собрал в единый анализ все свои наблюдения по различиям в структуре мозгового черепа крокодилов и крокодиломорф. Мне удалось закодировать все признаки, провести филогенетический анализ и получить достаточно подробное дерево родственных связей крокодилов. Нужно сказать, оно получилось репрезентативным, но некоторые фрагменты отличаются от принятых в литературе. Это позволяет предположить, что мы пока что-то не до конца понимаем в эволюционных построениях.

Если по одному фрагменту черепа можно построить всю родословную за 200 млн лет, значит, это важный элемент, который несет систематически значимые признаки. Дальнейшая работа с ним позволит лучше узнать родственные связи и внедрить новые особенности в анализ группы.

С 2014 года, после защиты бакалаврской диссертации, параллельно с исследованием ископаемых материалов я стал работать с современными крокодилами, чтобы разобраться в их устройстве и перенести эти знания на их предков. Сравнивая их между собой, я находил много новых признаков, до этого не отмеченных исследователями. Чтобы изучать ископаемые образцы, пришлось пересмотреть множество публикаций и визуально найти на изображениях те особенности, которые не обозначены в тексте статьи. И мне действительно удалось обнаружить много неизвестного. Статья об анатомии современных крокодилов, обобщившая весь мой семилетний опыт исследования, была опубликована в журнале Journal of Anatomy и попала на обложку. Это был базис для работы с ископаемыми крокодилами.

В 2021 году вы с коллегами описали все структуры в мозговой коробке крокодилов и присвоили единое название каждой составляющей. Насколько вам удалось продвинуться в исследовании за прошлый год?

Собственно эта работа закончена. Сейчас мы работаем над изучением эволюции мозга архозавров. Внутренняя поверхность мозговой коробки в какой-то степени отражает структуру мягких тканей, поэтому при ее реконструкции удается получить слепок мозга — эндокаст. Раньше для этого приходилось распиливать череп, вычищать полость и заливать ее латексом, но сейчас это можно сделать виртуально при помощи томографии и трехмерного моделирования. Тем не менее, работа выполняется вручную, и на создание одной модели мозга требуется примерно около недели. Мы планируем создать большую выборку, в которую войдет более 100 трехмерных моделей, чтобы посмотреть, как меняется в ходе развития мозг современных крокодилов, начиная с эмбрионального состояния и заканчивая взрослой особью. Также хотелось бы выявить различия между основными современными группами — аллигаторами, кайманами, крокодилами и гавиалами. В ходе этой работы мы планируем не только визуально оценивать эндокасты ископаемых и современных крокодилов, но и применять статистические методы, включая геометрическую морфометрию. Расставив метки на ключевых местах слепков, мы получим облака точек, которые можно будет сравнить при помощи программы. Возможно, для анализа выборок будет применяться искусственный интеллект.

Кайманы, аллигаторы, крокодилы и гавиалы, а также их общий предок, который жил в меловом периоде около 100 млн лет назад, входят в кроновую группу, объединяющую современных животных и их последнего общего предка. Все они называются крокодилы (группа Crocodylia). Животные, которые им предшествовали, были на них похожи, поэтому их часто называют древними ископаемыми крокодилами, однако они более близки к другим древним вымершим группам. Эта группа называется «крокодиломорфы» (группа Crocodylomorpha) — похожие на крокодилов. Они появились 230 млн лет назад в триасовом периоде. Таким образом, когда мы говорим о крокодиломорфах, то подразумеваем большую группу, в которую входят и современные крокодилы, и их «прадедушки».

Кроме того, я и мои студенты сделали трехмерные модели для ранее отсканированных на томографе черепов ископаемых крокодилов и крокодиломорф. Мы продолжаем собирать подборку материалов и надеемся получить в следующем году финансирование, чтобы довести эту работу до конца. Среди неопубликованных материалов есть модель мозговой коробки аллигатора, который жил на территории современного Узбекистана около 90 млн лет назад, — одного из древнейших крокодилов мира. Также мы с коллегами из Португалии и Испании выпустили статью, посвященную черепу португалозуха, в которой я выступил одним из соавторов. Благодаря обширному опыту работы с томографиями я могу найти в мозговой коробке крокодила то, что другим сложно разглядеть, поэтому мне удалось помочь с трехмерной реконструкцией и сравнением костей нейрокраниума. Кстати, португалозух тоже является одним из древнейших представителей крокодилов.

Как проводилось сканирование и последующее моделирование образцов? С какими сложностями вы столкнулись в процессе?

Если интересующий нас образец невелик и подходит для микротомографии, мы относим его в РЦ «Рентгенодифракционные методы исследования», где специалисты проводят необходимые работы. Крупные образцы мы отдаем медикам, которые сканируют их с помощью аппаратуры, применяющейся для томографии человека. Непосредственно в процессе получения срезов палеонтологи не участвуют, но могут передать операторам пожелания по порядку проведения процедуры. Микротомограф имеет очень высокое разрешение и позволяет получить большое количество срезов, вплоть до 4000, расстояние между которыми будет составлять несколько микрон. С такими объемными наборами изображений мы, конечно, не работаем. Самая большая томография мозговой коробки, с которой я работал, принадлежала аллигатору из Узбекистана и состояла примерно из 2000 срезов. На ее обработку у меня ушло три месяца. В среднем же работа с одним набором томограмм занимает около недели или двух.

Основная часть работы исследователя — сегментация, то есть выделение в образце составных частей: отдельных костей и полостей, в которых лежал мозг, проходили сосуды и каналы нервов. Сегментация происходит в программах Amira/Avizo, в которые загружается от 100 до 2000 черно-белых картинок-томограмм. Белые области означают зоны наибольшей плотности, а черные — воздух. Между ними лежит огромная градация оттенков серого, которые нужно научиться различать. При этом если в черепе современного животного мозговая полость вычищена и все детали легко узнаются, то в ископаемом образце она может быть забита породой, которая имеет почти такую же плотность, как и кости. Поиск границ между костями тоже не всегда прост: у современной особи между ними расположены отчетливо различимые черные границы — швы, заполненные воздухом, а у древних их бывает сложно заметить. Черепа, пролежавшие в земле миллионы лет, могут быть сдавлены, и в таком случае нужно еще понять, куда какую кость сместило и почему она лежит в другой проекции. Здесь очень помогает опыт работы с современными животными, поэтому я рекомендую начинающим палеонтологам сначала натренироваться на них.

Получается, что каждый современный крокодил в какой-то мере проходит 200 миллионов лет эволюции в течение всего нескольких дней своего развития, пока он находится в яйце.

Работа с томографиями довольно монотонная, но интересная: часто в конце дня неожиданно замечаешь, что нашел новую структуру, возникает целый ряд связанных с ней вопросов. Нас часто спрашивают, почему для этой работы не используется искусственный интеллект. На мой взгляд, работу с современными черепами легко можно автоматизировать, поскольку контраст между цветом костей и полостей довольно заметен. Недавно нейросети начали использоваться для изучения мозга пчел, а в 2022 году китайские палеонтологи попытались использовать эту технологию для выявления костей в ископаемых образцах, но здесь человек пока выигрывает по точности.

Удалось ли вам в ходе исследования открыть нечто новое для себя или прийти к неожиданным выводам?

Да, определенно. Для меня было удивительно понять, что в процессе эмбриогенеза современного крокодила кости его мозгового черепа меняются сходным образом с тем, как они трансформировались в ходе эволюции всей группы крокодиломорф. Еще в публикациях XIX века отмечалось, что нечто подобное происходит и с другими костями, например с небными, и мне было интересно увидеть, что для нейрокраниума это тоже работает. Теперь мы со студентами планируем составить карту процессов изменения черепа крокодилов в эмбриогенезе и крокодиломорф в ходе эволюции и сопоставить их между собой. Сейчас мне кажется, что разные отделы должны развиваться асинхронно, однако некоторые стадии будут напоминать эволюционные преобразования, которые происходили у далеких предков.

Расскажите, пожалуйста, немного о том, как проходила ваша защита. Сложно ли защищаться по собственным правилам СПбГУ?

На самом деле мне очень понравилось, поскольку эти правила упрощают жизнь. Единственной сложностью для меня стала двуязычная система: я писал диссертацию на английском языке, как и другие свои научные статьи, поэтому потребовалось перевести ее на русский. Обычно, наверное, происходит наоборот. Процесс подачи документов и сама процедура были достаточно простыми. Я с этим столкнулся впервые и узнал подробности от однокурсников, которые защищались ранее. В диссертационном отделе подробно и оперативно отвечали на мои вопросы, поэтому организационных проблем не возникло. Все прошло достаточно гладко, мой опыт был положительным.

Результаты вашего исследования были использованы при создании первого общедоступного онлайн-курса по палеонтологии, кроме того, в прошлом году вы вышли в финал конкурса «За верность науке». Планируете ли вы продолжать просветительскую деятельность?

Конечно, поскольку умение рассказать о своих исследованиях более простым языком важно для любого ученого. Если ты не можешь объяснить, чем занимаешься, значит, сам не очень хорошо понимаешь свой предмет. Работа с широкой аудиторией по популяризации палеонтологии и зоологии очень интересная и важная. Например, когда дети узнают, что обитающие вокруг нас животные становились такими, как мы привыкли их видеть, на протяжении миллионов лет, то понимают, что глобальное вымирание по вине человека может стать большой трагедией. Все это вырабатывает интерес к науке и любовь к природе.

Но количество студентов-палеонтологов возрастает с каждым годом, поэтому я постепенно перехожу на другой формат работы, связанный с воспитанием молодых кадров, которые будут в дальнейшем продвигать российскую палеонтологию. Сейчас мы занимаемся привлечением молодежи в научную деятельность: например, одним из соавторов статьи про мозг панцирного динозавра, выпущенной в 2020 году, был ученик десятого класса. Он начинал работу со мной еще в восьмом классе школы и за два года принял полноценное участие в исследовании. Сейчас он учится в СПбГУ на втором курсе и продолжает изучать эту тему.

В популярной культуре высок интерес к динозаврам, но много ли таких любителей потом приходит в настоящую науку? Насколько сегодня востребованы палеонтологи?

Действительно, происходит отсечение части аудитории, поскольку наука ставит более сложные задачи, нежели просто узнать, сколько динозавров было открыто в новом году и как они называются. Тем не менее, количество студентов, желающих изучать палеонтологию, постепенно увеличивается, наверное, не в последнюю очередь благодаря активной научно-популярной деятельности Павла Скучаса и других членов нашего коллектива. Ребята понимают, что работа палеонтолога заключается не просто в том, чтобы рассматривать в лупу покрытые пылью кости. Так, например, я поощряю студентов изучать трехмерное моделирование: эти навыки пригодятся им не только в научной деятельности, но и позволят при желании перейти в геймдев или создавать модели на заказ. Наш коллектив думает о создании новых онлайн-курсов по палеонтологии, а в этой области моделирование просто необходимо, чтобы создать для обучающихся наглядную картинку.

На самом деле палеонтология пока остается довольно узкой нишей. Я, наверное, знаю практически всех палеонтологов позвоночных, которые работают в России. На мой взгляд, более высокая конкуренция больше бы стимулировала развитие науки. Кроме того, в этом году в СПбГУ уменьшили количество мест в аспирантуре по направлению «Биология», поэтому магистрантам, которые в этом году завершают обучение, придется искать другие возможности для дальнейшего развития в этой области. Хотелось бы, чтобы в Университете обратили внимание на эту проблему. Но в целом научно-популярный контент пользуется возрастающим спросом у широкой аудитории, и палеонтологов в стране становится больше. Поэтому могу сказать, что по крайней мере в нашем коллективе в последние годы наблюдается явный прогресс, и это радует.