Ученые используют 3D-реконструкции для изучения механики челюстей животных
Исследование мышц, которые животные используют для укуса и жевания, может многое рассказать об их пищевых привычках. Раньше ученые часто проводили кропивые ручные вскрытия образцов, чтобы визуализировать мышцы. Физическое повреждение тканей при разделении мышечных слоев и эффекты посмертного обезвоживания могут ограничивать точность ручного препарирования.
В двух недавних статьях в PLOS ONE исследователи показали, что современные технологии «цифрового вскрытия» позволяют избежать проблем традиционных методов на примере двух очень разных животных.
Исследование 1: Мышцы челюсти вомбата
В первом исследовании авторы использовали неразрушающие методы рентгеновской компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ) наряду с традиционным препарированием. Цель — создать первую детальную 3D-модель мышц, отвечающих за закрытие челюсти у обыкновенного вомбата.
- КТ и МРТ создают серию поперечных «срезов» объекта.
- Ученые могут изучать каждый срез отдельно, идентифицируя отдельные группы мышц и ткани.
- Срезы объединяются для реконструкции объекта с детальным видом внутренних структур.
Комбинируя данные КТ и МРТ, авторы создали 3D-реконструкцию головы вомбата. Это позволило восстановить архитектуру костей и мышц «изнутри наружу» и увидеть взаимодействие мышц в их естественном положении в черепе. К статье прилагается интерактивная 3D PDF-модель, которую можно вращать на 360°, изолировать отдельные части или делать их прозрачными.
Исследование 2: Механика укуса китайской исполинской саламандры
Авторы другой статьи пошли дальше, чтобы изучить механику укуса китайской исполинской саламандры — крупнейшего в мире земноводного. Они использовали КТ-сканирование для анализа швов на черепах взрослых и молодых особей.
- Эти швы необходимы для стабильности черепа и помогают рассеивать силы сжатия при укусе.
- Моделируя точки напряжения при различных условиях укуса и сравнивая их с расположением швов, ученые могут предсказать, какая схема укуса вызывает наименьшую нагрузку на череп.
Были смоделированы два типа укуса:
- Двусторонний — с равным начальным давлением на обе стороны рта.
- Односторонний — с начальным давлением только на левую сторону рта.
В каждой ситуации также моделировался захват добычи передней или задней частью рта.
Результаты: Обнаружена четкая разница в распределении сил при укусе кончиком рта (спереди) по сравнению с задней частью челюсти. Для визуализации использовалась тепловая карта (heat mapping):
- Красные участки — наибольшая сила.
- Синие участки — наименьшая сила.
Моделирование показало, что оптимальной стратегией является укус передней частью рта, так как он вызывает меньше стресса для черепа.
- Двусторонний укус равномерно распределяет силы и позволяет саламандрам ловить неуловимую или крупную добычу.
- Асимметричный (односторонний) укус может использоваться в стратегии «сиди и жди» для внезапного захвата добычи в воде. Этот тип укуса уникален среди позвоночных и может создавать всасывание, затягивая добычу и воду в рот.
Вывод
Обе методики «цифрового вскрытия» позволяют ученым изучать механику челюстей в мельчайших деталях, не разрушая образец. В будущем эти методы могут помочь понять особенности укуса даже вымерших видов.