Komputerowe puzzle czaszki z epoki kamienia łupanego

Francusko-amerykanski zespół naukowców zrekonstruował w laboratorium IBM w Yorktown Heights (USA) czaszkę człowieka z epoki kamienia łupanego. W latach 80. odkryto łącznie pięć fragmentów zwapnionych czaszek, których wiek oceniono na cztery tysiące lat. Dotychczas jednak rekonstrukcja czaszki z kilku zaledwie fragmentów była niemożliwa. Dzięki komputerowej stacji graficznej udało się z dwóch czaszek uzyskać wystarczającą liczbę puzzli, aby powstała jedna "modelowa" czaszka z epoki kamienia łupanego. Wreszcie naukowcy mogą stworzyć obraz mieszkańca Afryki Północnej z okresu plejstocenu, 730 tys. do 130 tys. lat przed naszą erą.

Francusko-amerykanski zespół naukowców zrekonstruował w laboratorium IBM w Yorktown Heights (USA) czaszkę człowieka z epoki kamienia łupanego. W latach 80. odkryto łącznie pięć fragmentów zwapnionych czaszek, których wiek oceniono na cztery tysiące lat. Dotychczas jednak rekonstrukcja czaszki z kilku zaledwie fragmentów była niemożliwa. Dzięki komputerowej stacji graficznej udało się z dwóch czaszek uzyskać wystarczającą liczbę puzzli, aby powstała jedna "modelowa" czaszka z epoki kamienia łupanego. Wreszcie naukowcy mogą stworzyć obraz mieszkańca Afryki Północnej z okresu plejstocenu, 730 tys. do 130 tys. lat przed naszą erą.

Marokańskie znaleziska stanowią poważny problem dla antropologów: wykopane skamieniałości nie pozwalają zwykle na rekonstrukcję jednego osobnika. Czasami stosuje się tzw. rekonstrukcję kompozytową - zestawia się ze sobą szczątki osób, dzięki czemu powstaje jedna postać. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy skamieniałości pochodzą od osobników o tych samych rozmiarach. Znaleziska w Maroku pochodziły jednak od kilku wyraźnie różniących się od siebie osób. W tym wypadku nie można zastosować takich metod, jak np. odlew gipsowy.

Alan Kalvin w Thomas J. Watson Research Center IBM w Yorktown Heights stworzył oprogramowanie, które znakomicie radzi sobie z tymi problemami. Bazuje ono na IBM Visualization Data Explorer - na programie Unixa przeznaczonym do graficznej obróbki danych naukowych.

Zainteresowania Kalvina skupiają się właściwie na medycynie. Prowadzi on Computer-Assisted Surgery Group, zespół zajmujący się chirurgią wspomaganą przez komputery. Ludzie ci opracowują np. dane pochodzące z tomografu komputerowego. Na ekranie powstają obrazy ludzkiego wnętrza umożliwiające lepsze przygotowanie operacji. Jako produkt uboczny powstało wspomniane wcześniej oprogramowanie dla antropologów, funkcjonujące zresztą na podobnych zasadach.

"Rzadko znajduje się kompletne i nieu szkodzone skamieniałości kręgowców," wyjaśnia Kalvin. "Zwykle są one we fragmentach, nadwyrężone przez liczne procesy geologiczne, wietrzenie lub szkodniki. Aby przeprowadzić dokładne studium szczątkowych egzemplarzy, antropolodzy muszą przede wszystkim najdokładniej, jak to jest możliwe, posklejać rozproszone fragmenty. Jest to jednak bardzo trudne zadanie. Przypomina mi próbę zbudowania modelu samolotu z garści części pochodzących z kilku urządzeń.

Tomograf komputerowy w roli skanera

Szczątki czaszki, odnalezione w Maroko, składają się z pięciu fragmentów wykopanych w dwóch różnych stanowiskach badawczych, w okolicach Casablanki i Rabatu. Część lewej strony górnej szczęki i dwa fragmenty kości mózgowych pochodziły od mniejszego osobnika, prawdopodobnie kobiety; do większego należała lewa część czoła i fragment lewej strony twarzy.

Jeden z odkrywców skamieniałości, Jean-Jacques Hublin z antropologicznego laboratorium Musee de l'Homme w Paryżu, rozpoczął elektroniczną rekonstrukcję. Fragmenty czaszki zamienił na dane numeryczne wykorzystując do skanowania zwykły tomograf komputerowy w szpitalu. Hublin zeskanował znalezione skamieniałości. Ta metoda była zbliżona do rozwiązań zastosowanych w pracach Kalvina.

Do francuskiego zespołu należał również Marc Braun z oddziału anatomii Uniwersytetu w Nancy, który współpracował z grupą naukowców David Dean z Instytutu Chirurgii Plastycznej Centrum medycznego Uniwersytetu w Nowym Jorku.

Homo erectus czy już homo sapiens?

W laboratorim Yorktown Heights Kalvin i Dean przetworzyli dane z tomografa komputerowego na komputerowej stacji graficznej. Uzyskali wyjątkowo precyzyjne trójwymiarowe obrazy szczątków. Różnica rozmiarów dwóch czaszek przestała być problemem - jednym kliknięciem myszy naukowcy zmniejszyli dwa większe fragmenty i odnieśli je do wymiarów szczątków kobiety. Wykorzystując symetrię ciała ludzkiego podwoili trzy fragmenty przez odzwierciedlenie. Liczba puzzli wzrosła dzięki temu do ośmiu - wystarczającej liczby do wiernej rekonstrukcji czaszki. Wykonanie tego samego metodą odlewu gipsowego byłoby niezwykle pracochłonne.

Elektroniczna rekonstrukcja ma również inne pozytywne strony: odstające części skamieniałości nie przeszkadzają komputerowi; w przypadku modelu fizycznego konieczne byłoby szlifowanie. Komputer umożliwił dokładne dopasowanie fragmentów. Bardzo precyzyjne wymiary skamieniałości na ekranie dostarczyły anropologom znakomitego materiału badawczego. A co najważniejsze, w przypadku pojawienia się nowych fragmentów skamieniałości, model będzie można szybko uzupełnić.

Praca naukowców nie tylko pozwoliła zrekonstruować wygląd człowieka, ale pomogła także wyjaśnić, od którego z ludzi pochodzą te skamieniałości. Dotychczas nie było jasne, czy nauka ma do czynienia z przedstawicielem homo sapiens czy ze starszym rodzajem, homo erectus. Rekonstrukcja odpowiedziała na to pytanie: ludzie z epoki kamienia łupanego w Afryce Północnej, żyjący przed czterema tysiącami lat, reprezentowali wcześniejszą, archaiczną odmianę homo sapiens.