Применение методов цифровой экспертизы износа зубов у древнего и современного человека

Ââåäåíèå

Зубы являются весьма информативным источником при определении пола, возраста, этнической принадлежности человека [Kaifu et al., 2015; Krishan, Kanchan, Garg, 2015; Kurniawan et al., 2020]. С точки зрения археологии, они представляют собой ценнейший источник благодаря своей долговечности и хорошей сохранности, т.к. зубная эмаль не меняет своих свойств после естественной консервации живых организмов [Hillson, 2005, p. 1; Sperduti et al., 2018].

Форма зубов у человека определяется преимущественно генетическими факторами [Berthaume, Lazzari, Guy, 2020]. Кроме того, на нее может влиять рацион питания, включая пищевые привычки и способы производства продуктов питания [Caglar et al., 2007]. У людей с преобладающим потреблением фруктов или другой растительной пищи наблюдается уменьшение коронок моляров, другие факторы – возраст и износ зубов [López-Torres et al., 2018]. Пищевые привычки человека существенно влияют на твердость эмали и степень истираемости зубов [Machado et al., 2022; Normando, de Almeida Santos, Abdo Quintão, 2016]. Так, в Индонезии, в особенности в ее восточных регионах, жевание листьев бетеля ускоряет износ зубов [Murti, Koesbardiati, 2019; Permatasari, Artaria, 2015].

Вид пищи влияет на структуру тела, все органы, в т.ч. на форму, размер и износ зубов [Scheid, Weis, 2012, p. 291], которые играют ключевую роль в процессе пищеварения. Моляры перетирают пищу, приспосабливаются к определенному рациону питания и изменяются в соответствии с ним [Ungar, Williamson, 2000]. Количество и структура абразивных веществ в пище, способ ее приготовления и социокультурные факторы со временем могут приводить к износу зубов и изменению их формы [Мачикек, Зубова, 2012; Molnar, 1971; Meng et al., 2011]. Зубы и в особенности моляры имеют волнообразную поверхность, которая стирается, что наиболее ярко выражено у задних моляров нижней челюсти [Чикишева, Полосьмак, Вол- ков, 2009], поскольку эта ее часть наиболее активно двигается при жевании и испытывает повышенные давление и трение. Помимо текстуры пищи, износ зубов ускоряется некоторыми веществами, содержащимися в ней. Исследования показали, что продукты и напитки с высоким содержанием кислот могут повреждать зубную эмаль [Al-Amri, Albounni, Binalrimal, 2021; Bartlett et al., 2011; Lussi et al., 2011; Lutovac et al., 2017; Zero, 1996], газированные напитки отрицательно влияют на ее твердость и, соответственно, ускоряют износ зубов [Attin et al., 2005; Murti, Koesbardiati, 2019; Permatasari, Artaria, 2015].

Существует несколько закономерностей износа зубов у людей. Питание служит одним из основных факторов, влияющих на его степень и характер. Так, согласно результатам некоторых исследований, популяции охотников и собирателей имели более высокий уровень износа зубов по сравнению с населением с производящим хозяйством или смешанным, основанным на собирательстве и выращивании растений [Molnar, 1971; Hinton, 1981; Smith, 1984; Kaifu, 1999; Larsen, 2002]. Различные виды износа зубов у людей могут указывать на жизненный уклад, связанный с условиями обитания человека, на то, какую пищу он употреблял и каким способом. Зубы древних людей часто отличаются уплощенной жевательной поверхностью моляров с большими углублениями [Kurniawan et al., 2022] из-за употребления пищи с сырой клетчаткой, например продуктов из твердого зерна [Eshed, Gopher, Hershkovitz, 2006]. Для питания современных людей характерно увеличение количества мягкой и твердой пищи. Жевательный аппарат современного человека эволюционировал и, хотя имеет те же общие характеристики, отличается менее выраженным рельефом крыловидной кости и альвеолярного отростка, а также ретинированными третьими молярами [Rose, Roblee, 2009]. Это связано с технологиями обработки пищевых продуктов [Das, Motghare, Singh, 2021; Masood, 2020].

В настоящей работе был проведен анализ поверхности зубов с целью проверки нового метода цифро- вой экспертизы. Такой анализ часто проводится для определения твердости металла или другого материала. Надеемся, что этот метод можно адаптировать для проведения исследований антропологических объектов.

Метод

Цифровая экспертиза шероховатости поверхности зубов у древнего и современного человека предполагает несколько этапов (рис. 1). Образец нижней челюсти был оцифрован с помощью смартфона X6812B с разрешением 50 МП-кс f/1,6 (по ширине) и PDAF 2 МП-кс (по глубине). На следующем этапе для обрезания каждого изображения моляра по размеру и начала 3D-моделирования применяли различные плагины в программе Fiji (ImageJ) на ноутбуке HP Pavilion с процессором Intel i7, ОЗУ 8 Гб и программным обеспечением Windows 11 Pro.

В начале этапа выявления характерных признаков использовали плагин 3D-поверхности для получения трехмерного изображения зубов с установкой размера сетки на 256, масштаба сглаживания на 25,0, перспективы на 0,0 и освещения на 0,43. Затем к изображениям применяли 32-битный фильтр оттенков серого. Для создания гистограмм и визуализации уровня и контура поверхности зуба использовали гра- фическое отображение поверхности и анализ профиля. После этого для повышения точности расчета шероховатости поверхности проводили ориентацию граней. На последнем этапе результаты анализировали с учетом различий в расчете отклонений в зонах исследования каждого зуба (рис. 2).

Выделение признаков – это метод преобразования данных в более удобный формат, позволяющий лучше выявлять различия в них. В настоящем исследовании некоторые признаки использовались для определения разницы в шероховатости поверхности моляров у древнего и современного человека. Сначала применяли метод трехмерного отображения поверхности. Он позволяет создавать интерактивные модели в различных типах изображений, где их яркость интерпретируется как высота модели. Анализ профиля использовали для изучения контура поверхности объекта в трехмерной модели. На основе этого изображения создавали гистограмму.

Затем применяли плагин ориентации граней для просмотра результатов ориентации поверхности и статистического анализа топографических изображений, полученных по итогам работы профилометра. Изображение на входе должно быть в 32-битном формате, и пользователь указывает расстояние между пикселями на поперечной дорожке, выражаемое в тех же единицах, что и диапазон данных, который

Цифровизация

означает разницу в значениях высоты или колебаниях поверхности на топографическом изображении, охватывающую расстояние между самой высокой и самой низкой измеренными точками на поверхности. После этого применяли плагин расчета шероховатости, который отображает статистические результаты ее уровней

Выделение признаков

Результат определения

на основе топографических изображений. Определялись следующие параметры.

Средняя арифметическая шероховатость ( R_a ) – это среднее арифметическое абсолютных значений отклонения высоты профиля поверхности от средней линии независимо от направления и рассчитывается по формуле [Whitehouse, 2012, p. 52]:

^Ra⁼\\^ | У ( x )| ^dx ^,               (1)

где L – длина профиля поверхности, x – положение на профиле поверхности, y(x) – функция, описывающая отклонение поверхности от базовой линии в положении x на профиле поверхности.

Среднеквадратичная шероховатость ( R_q ) представляет собой среднее отклонение профиля поверхности относительно базовой линии и рассчитывается по формуле [Ibid., p. 53]:

1            о 2

.

Эксцесс оцениваемого профиля ( R_ku ) выражает относительную остроконечность или сглаженность распределения высоты профиля. Рассчитывается по следующей формуле:

Асимметричное распределение шероховатости (Rsk) является мерой асимметрии профиля поверхности. Положительная асимметрия означает, что профиль имеет больше бугров, чем ямок, а отрицательная свидетельствует о преобладании последних. Рассчитывается по формуле:

.                   (4)

Наибольшая высота неровностей профиля ( R_p ) – это расстояние по вертикали между самым высоким выступом и самой глубокой впадиной в пределах базовой длины. Рассчитывается по формуле [Ibid.]:

R_p = Max x [y ( x )].                (5)

Глубина наибольшей впадины профиля поверхности ( R_v ) – расстояние от самой низкой точки профиля до средней линии. Рассчитывается по формуле [Ibid.]:

R v = Min _x ^[ y ^{( x} )]■ ⁽⁶⁾

Общая шероховатость по высоте ( R_t ) – это разница между вертикальными размерами самого высокого выступа и самой глубокой впадины профиля поверхности. Рассчитывается по формуле [Ibid.]:

R t = Max x [ У ( x )] — Min _x [ У ( x )] ■             (7)

Материалы исследования

Одонтологические материалы для настоящего исследования были предоставлены Музеем этнографии Университета Эйрланга в Сурабае, Индонезия. Древние образцы принадлежат шести скелетам из Лян-Буа-3 и -6 (LB-3, LB-6; рис. 3, 4), Мелоло-Урне-2 и -3

Рис. 5 . Нижняя челюсть М-2.

Рис. 6 . Моляр М-2

(Urne-2, Urne-3) и Сумбы-2 и -F (SB-2, SB-F) в Восточной Нуса-Тенгаре, Индонезия. Возраст человеческих останков из Лян-Буа, найденных при раскопках в 1965 г. [Murti, Suriyanto, Koesbardiati, 2013], оценивается в 2 600 лет [Oliveira et al., 2022]. Археологические находки с указанных памятников включали каменные орудия, отщепы, фрагменты костей быков, кабанов, дикобразов, крыс, раковины пресноводных и морских моллюсков, а также керамику, что указывает на образ жизни, основанный на земледелии и собирательстве, характерный для периода перехода к производящему хозяйству [Atmosudiro, 1994, p. 126; Sukadana, 1981, 1984, p. 183].

Зубы современного человека принадлежат людям, жившим на территории Восточной Явы в ин- дустриальную эпоху (M-1–M-5; рис. 5, 6) и в период Маджапахита (M-6). Проанализированы 12 образцов (табл. 1).

Результаты экспериментов

В первом эксперименте зубы древнего и современного человека исследовались с использованием трехмерного изображения коронки моляра, ее поверхности и профиля. Оттенки серого цвета на изображении показывают значение переменной: чем темнее цвет

Таблица 1. Рассматриваемая выборка зубов древнего и современного человека

Образец	Возраст человека	Пол	Датировка	Размер, пиксели
Древние
LB-6	17–25	Жен.	3 390 ± 270 ÷	129 × 127
LB-3	25–35	Муж.	3 830 ± 120 л.н.	129 × 127
SВ-2	25–35	Жен.	2 870 ± 60 л.н.	288 × 284
SВ-F	25–35	Муж.	2 870 ± 60 л.н.	288 × 284
Urne-2	24–35	Жен.	2 870 ± 60 л.н.	230 × 232
Urne-3	25–35	Муж.	2 870 ± 60 л.н.	336 × 340
Современные
M-1	17–25	Муж.	2010–2015 гг.	88 × 87
M-2	27–35	»	2015 г.	290 × 306
M-3	27–35	»	2015 г.	298 × 326
M-4	27–35	»	2010–2015 гг.	294 × 292
M-5	25–35	Жен.	1980 г.	344 × 352
M-6	20–30	Муж.	1529–1650 гг.	272 × 284

(значение серого), тем оно ниже. Для каждого образца были созданы гистограммы (рис. 7, 8). По результатам анализа профиля и поверхности получены данные, характеризующие моляры древнего и современного человека (табл. 2, 3).

Во втором эксперименте анализировалась шероховатость поверхности коренных зубов. Трехмерные изображения поверхности из первого эксперимента были преобразованы с помощью плагина ориентации граней в полярный формат (рис. 9, 10). Для определения уровня шероховатости зуба использовали параметры R_q , R_a , R_sk , R_ku , R_p , R_v и R_t (табл. 4, 5).

Рис. 7. Гистограммы результатов тестирования профиля ( а ) и поверхности ( б ) LB-3.

Рис. 8. Гистограммы результатов тестирования профиля ( а ) и поверхности ( б ) М-2.

Таблица 2. Результаты анализа геометрического представления профиля и поверхности зубов древнего человека

Образец	Показатель серых зон бугров ( Y )	Показатель серых зон ямок ( Y )	Фиссуры	Расстояние ( X )	Разница между значениями серого
					Верхним и нижним	Для бугров и ямок
LB-6	158,90	29,10	58,70	316,00	129,80	100,20
LB-3	210,80	56,40	117,60	381,00	154,40	93,20
SВ-2	217,30	27,60	165,30	366,00	189,70	52,00
SВ-F	181,40	124,60	150,16	428,00	56,80	31,24
Urne-2	201,50	94,10	150,10	389,00	107,40	51,40
Urne-3	152,40	101,20	116,66	367,00	51,20	35,74
Итого	1122,30	433,00	758,52	2247,00	545,70	363,78
Среднее	187,05	72,17	126,42	374,50	90,95	60,63

Таблица 3. Результаты анализа геометрического представления профиля и поверхности зубов современного человека

Образец	Показатель серых зон бугров ( Y )	Показатель серых зон ямок ( Y )	Фиссуры	Расстояние ( X )	Разница между значениями серого
					Верхнего и нижнего	Для бугров и ямок
M-1	201,80	92,80	131,90	318,00	109,00	69,90
M-2	164,60	52,90	134,20	256,00	111,70	30,40
M-3	187,20	89,10	110,18	278,00	98,10	77,02
M-4	190,40	121,60	127,54	277,00	68,80	62,86
M-5	178,70	42,70	51,50	283,00	136,00	127,20
M-6	201,00	80,80	153,20	271,00	120,20	47,80
Итого	1123,70	479,90	708,52	1683,00	643,80	415,18
Среднее	187,28	79,98	118,09	280,50	107,30	69,20

Рис. 9 . 32-битное трехмерное изображение поверхности в оттенках серого ( а ) и ориентация граней в полярном формате ( б ) LB-3.

Рис. 10 . 32-битное трехмерное изображение поверхности в оттенках серого ( а ) и ориентация граней в полярном формате ( б ) M-2.

Таблица 4. Обобщенные результаты расчетов шероховатости поверхности зубов древнего человека

Образец	R q	Ra	Rsk	Rku	R p	Rv	Rt
LB-6	57,68	48,50	1,25	1,60	89,48	0,00	89,48
LB-3	59,08	50,30	1,24	1,58	89,48	0,00	89,48
SВ-2	59,00	50,75	1,21	1,51	89,32	0,00	89,32
SВ-F	56,03	44,60	1,30	1,72	89,57	0,00	89,57
Urne-2	60,13	53,44	1,17	1,41	89,33	0,00	89,33
Urne-3	75,53	70,76	1,09	1,20	89,22	0,00	89,22
Итого	367,44	318,35	7,25	9,02	536,40	0,00	536,40
Среднее	61,24	53,06	1,21	1,50	89,40	0,00	89,40

Таблица 5. Обобщенные результаты расчетов шероховатости поверхности зубов современного человека

Образец	R q	Ra	Rsk	Rku	R p	Rv	Rt
M-1	48,98	31,86	1,59	2,57	89,58	0,00	89,58
M-2	61,48	52,20	1,21	1,50	89,59	0,00	89,59
M-3	69,27	62,50	1,13	1,29	89,54	0,00	89,54
M-4	60,46	50,60	1,23	1,55	89,32	0,00	89,32
M-5	65,98	58,25	1,17	1,39	89,56	0,00	89,56
M-6	64,61	56,66	1,17	1,40	89,51	0,00	89,51
Итого	370,77	312,08	7,50	9,70	537,10	0,00	537,10
Среднее	61,80	52,01	1,25	1,62	89,52	0,00	89,52

Обсуждение

Исследование трехмерных изображений поверхности моляров показало значимые различия между зубами современного и древнего человека. Последние оказались более уплощенными, как правило, имели меньшую разницу между самой глубокой ямкой и бугорком коронки (среднее значение 60,63), чем у современного человека (69,20). Согласно результатам анализа профиля, для древних образцов характерна более ровная и регулярная структура гистограммы по сравнению с зубами современного человека, что указывает на меньший износ последних.

Хотя у древних людей значение средней шероховатости ( R_a ) на 1,05 выше, чем у современных, величина среднеквадратичной шероховатости ( R_q ), которая отражает те же параметры, что и R_a , но рассчитывается иным способом, меньше (61,24 против 61,80). Другие расчетные показатели ( R_ku , R_sk , R_p и R_t ) у доисторических людей ниже, чем у современных.

В целом результаты исследования показывают, что моляры древнего человека подвергались более активному изнашиванию. Износ зубов мог быть обусловлен различными факторами, включая природные и со- циокультурные, а также видом потребляемой пищи. Доисторические люди, чьи моляры были проанализированы в данной работе, жили в период перехода к производящему хозяйству и имели комбинированную систему жизнеобеспечения, связанную с охотой, собирательством и земледелием [Winterhalder, Kennett, 2006]. Их рацион питания составляли мясо дичи, пресноводные или морские моллюски (с предварительной варкой или без нее) и продукты растительного происхождения, которые можно было употреблять сырыми [Sukadana, 1981, 1984, p. 185; Atmosudiro, 1994, p. 126]. В доисторические времена для такой пищи требовались мощные челюсти, крупные клыки и сильные жевательные мышцы. Избыточное трение приводило к повреждению зубов [Das, Motghare, Singh, 2021; Masood, 2020]. Кроме того, сильный износ зубов у древних людей мог быть обусловлен воздействием абразивных материалов, например песка, который попадал в еду из-за несовершенной очистки продуктов или использования керамики для приготовления и употребления пищи [Murti, Koesbardiati, 2019].

Современные люди имеют более разнообразное питание, могут выбирать между мягкой и твердой пищей, что обеспечивает меньший износ зубов. Развитие оборудования для переработки пищевых продуктов, которое становится все более сложным и разнообразным, также влияет на текстуру потребляемой пищи. Однако изнашиванию зубов могут способствовать пищевые привычки и культурные практики. Например, в Индонезии существует традиция жевания листьев бетеля, что приводит к разрушению зубов [Ibid.].

Выводы

Цифровая экспертиза износа зубов может пролить свет на жизнеобеспечение древних людей и его изменения. Использование технологии цифровой обработки изображений для определения шероховатости поверхности моляров у древних и современных людей позволяет дифференцировать уровень износа зубов. Проведенные эксперименты показали, что в доисторическую эпоху зубы изнашивались сильнее, чем в современную. Результаты исследования подтверждают сделанный ранее вывод о снижении уровня стира-емости зубов от древних популяций к современным, что связано с переходом к производящему хозяйству. По итогам работы может быть предложен альтернативный метод реконструкции рациона питания отдельных индивидов или популяций на основе износа зубов, позволяющий получать более точные данные посредством цифровой обработки изображений.

Исследование выполнено при поддержке Исследовательского центра Университета Эйрланга.