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打印一条3D的鱼,然后 “解剖”它

来源:中科院古脊椎所 作者: 2017年09月05日 10:54
[导读] 

来源:中科院之声 2017-09-04


  你印象中的古生物学家是什么样的?你想象的古生物学的办公室又是怎样的?

堆满了古老的岩石、死去亿万年动物的骨头、气味可疑的剥制标本,以及玻璃瓶中浸泡的怪异生物……是的,直到十几年前,大部分古生物学家的办公室里都还是这样的“配置”。这跟一两百年前居维叶这样的古生物学先驱们的办公室“配置”差不多。

这是因为,整个古生物学就建立在对化石与现生生物细致入微的观察和比较之上,不反复摆弄这些化石和现生标本,研究根本无从谈起。


图1 堆满稀奇古怪玩意的居维叶的办公桌。图片来源网络

但是,中科院古脊椎所卢静副研究员的办公室却大不相同。

这里更像一个现代化的设计工作室,计算机屏幕上显示着多彩酷炫的数字建模,柜子和桌子上放着许许多多不同大小的精细模型。而真正的化石和动物标本则要么安全地锁在柜子深处,要么放置在博物馆明亮的橱窗中向公众展示。

图2 用三维重建软件对古代鱼类进行‘虚拟’解剖。图片来源澳大利亚科学院

卢静是研究化石鱼类脑颅结构的专家,她更喜欢现在的研究方式和工作环境。珍宝馆式的办公场所也许在好古者眼中具有美学价值,但是,卢静研究的化石标本大多都很小并且非常脆弱,在研究过程中即使经过了加固,并且操作过程中极为小心翼翼,但辗转经年之后,还是会对标本造成一定损伤。难上加难的是,很多重要的结构深藏在化石内部,很难观察到。所以,保护标本还是深入研究标本?两者一度是有所矛盾的。

正因存此顾虑,卢静等人最近研究的一件来自澳大利亚的罕见的精美鱼类化石曾经足足尘封了三十年。这就是发现于澳大利亚早泥盆世的盾皮鱼类巴坎鱼科新化石材料。

此前一般印象中的鱼化石是像图画一样扁平保存的骨架,但这件鱼化石保存了立体的原貌,各部位之间只有轻微移位。在它的头颅深处,甚至可以看到许多精密的血管和神经通路,以及容纳脑的腔体。所有这些珍贵信息都包含在一个只有乒乓球大小的钙质结核中。学者们一直很想了解这些骨头之间的位置关系和精细的解剖结构,但又难以在不破坏化石的前提下探查。



图3 用三维重建软件重建的澳大利亚早泥盆世盾皮鱼类巴坎鱼科新材料(右侧视)


近年来,在古生物学界兴起的X光显微断层扫描(MicroCT)和计算机重建技术为重启对这件精美化石的研究提供了机会。X光的波长短,穿透力强,其光束因而能穿透化石,“照亮”其内部结构。更进一步,研究者可以根据扫描所得图像,在计算机中对这些结构的立体形态进行数字建模。

 



图4 把3D打印化石模型从打印机中“挖”出来。卢静(图左),澳大利亚国立大学在读博士生胡雨致(图右)

但是,随着研究的深入,学者们不仅想看到一目了然的结构形态,更想知道特定结构之间精确的关联和接触关系。针对这一难点,卢静和澳大利亚国立大学的研究人员首次在这一领域应用了一项时髦的新技术,这就是因为可能掀起工业生产模式的革命而成为热门话题的3D打印。 



图5 3D打印的原始盾皮鱼类颌部模型。图片来源ANU TV

其实,古生物学家过去也使用石膏和树脂复制化石模型来辅助研究工作。不过, 3D打印技术的功能要强大得多。这次,卢静等人使用了一台最新型号的大型高分辨率3D打印机,把计算机中重建的标本内部结构都分解开来,并分别打印成比原化石放大许多倍、但仍十分精细并完全忠实于建模原貌的实体模型。利用这些可以随意、反复摆弄的模型,他们就可以像传统解剖学家用刀剪解剖动物一样(其实,这一技术同样可以并已经应用在对现生生物的形态解剖学研究中),对化石内部的精细结构进行分割、拼合、比较等研究。如此一来,就完全不会对化石本身造成损伤。



图6 组装并研究3D打印盾皮鱼化石模型。著名古鱼类学家澳大利亚国立大学Gavin Young博士(左),卢静(右)。图片来源澳大利亚科学院
  

卢静和她的同事们复原了这条已经死去四亿年鱼头部细小的骨片、准确的上下颌关节、细密的血管和分支的神经。从总体外形上来看,这条鱼虽只有黄辣丁大小,身长约25厘米,但却属于一种比较凶猛的捕食者,而且可能与泥盆纪晚期称霸海洋的邓氏鱼有很近的亲缘关系。过去人们曾经以为,这个被称为盾皮鱼的类群都是鱼类早期演化的灭绝旁支。但包括本次研究在内的越来越多的证据显示,盾皮鱼是最原始的有上下颌鱼类,它们和人类的水生鱼类祖先演化密切相关。

  

图7 从鱼到人,脊椎动物颌部演化图。澳大利亚弗林德斯大学博士后BrianChoo绘

四亿年前的泥盆纪早期,澳大利亚的地理位置十分靠近中国,两地的鱼类化石也很相似。科学家推测,人类的鱼类祖先在之前某一时期起源于中国南方大陆沿海,并在之后的几千万年中经过澳大利亚,扩散到世界各地,开启了“鱼类的时代”。其中的一支最终演化成包括人类在内的所有陆地脊椎动物。


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[责任编辑:kb104]
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