打印一条3D的鱼,然后“解剖”它

来源: 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所

发布日期: 2017-09-04 07:30:00

中科院古脊椎所卢静副研究员的办公室采用现代化设计,利用3D打印技术对化石进行研究,避免了传统研究方法对脆弱化石的损伤。通过新技术,卢静和她的团队复原了一条四亿年前鱼的头部结构,揭示了盾皮鱼在脊椎动物演化中的重要角色,并推测人类的鱼类祖先可能起源于中国南方大陆沿海。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。应用新技术对中澳两地化石进行全面、仔细的研究和对比,有望找到有关上述理论更多的证据,更清晰地还原人类的鱼类祖先曾经的形态和史诗般的演化历程。

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