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中澳联合研究团队用3D打印技术对4亿年前盾皮鱼类化石进行详细研究

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热度1票 浏览16次 时间:2017年9月11日 09:58
   澳大利亚早泥盆世盾皮鱼类巴坎鱼科新材料(ANU V244)三维重建(右侧视)。(卢静供图)

澳大利亚早泥盆世盾皮鱼类巴坎鱼科新材料(ANU V244)三维重建(右侧视)。(卢静供图)

澳大利亚早泥盆世盾皮鱼类巴坎鱼科新材料(ANU V244)高精度三维打印模型。a,腹视;b,颌部与脑颅相连前端局部放大;c,颌部内视) 。三维打印模型为原化石六

澳大利亚早泥盆世盾皮鱼类巴坎鱼科新材料(ANU V244)高精度三维打印模型。a,腹视;b,颌部与脑颅相连前端局部放大;c,颌部内视) 。三维打印模型为原化石六倍大。(卢静供图)

(中国化石网报道)据北京晚报(蔡文清):在人们印象中,古生物学家的办公室里一般是这样的: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……事实上,在十几年前,大部分古生物学家的办公室里都还是这样的,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。

但现在,古生物学家的办公室正逐渐摒弃了这样的“配置”,取而代之的是计算机和精细模型。

中科院古脊椎动物与古人类研究所卢静副研究员的办公室颇为现代化,计算机屏幕上显示着多彩酷炫的数字建模,柜子和桌子上放着的精细模型使这里更像一个设计工作室,而真正的化石和动物标本只有少量锁在柜子深处,更多地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,但辗转数年之后,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,所以如果要保护标本就很难深入研究标本,很长时间里这是一对矛盾,有时为了研究标本而使标本被破坏的先例也不是没有过。正因如此,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泥盆纪早期的盾皮鱼类巴坎鱼科新化石材料。

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。因此,对这一化石的研究,意义重大。

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。

近年来,在古生物学界兴起的X光显微断层扫描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。

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。于是一项时髦的新技术被开发应用,这就是3D扫描和3D打印。

以前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 扫描和3D打印技术的功能要强大得多。卢静及其研究团队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,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。

尘封了三十年的澳大利亚精美鱼类化石又被拿了出来,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25厘米长,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,但是借助3D扫描和3D打印,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。

新技术的应用使得人类对古生物化石的研究和分析更加全面和细致,借助现代科技,人类祖先曾经的形态和史诗般的演化历程将更清晰地展现在人们面前。

在现代社会,3D扫描与3D打印技术的应用正在多个领域大显身手,比如建筑业,在人们印象中,建筑工程技术人员的形象是用一个大图板,拿着尺子,拿着笔,在图纸上画图,一些电视剧中也显现这样的画面,事实上手工绘图的工作方式早已过时,早就发展为电脑制图模式,甚至二维电脑制图也已逐渐被淘汰,2D到3D的过程发展非常快,现在几乎所有的建筑工程设计院及建筑工程单位都在使用三维制图的工作方式,在建筑界,人们早已经以三维的形式进行思考和创作了。

在文物保护领域,新技术的应用也非常广泛,曾荣获“第三届全国优秀文物修复工程”的大足石刻千手观音抢救性保护工程项目就借助了虚拟现实技术。而使圆明园“恢复”原貌重现生机的则是三维扫描、数字化修复和数据利用等新技术。借助这些,古老的文物焕发生机,而公众也可以借此穿越历史,感知历史文化的壮观和辉煌。   

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(中国化石网报道)据北京青年报(本报记者 屈畅 线索提供/朱女士):“想不到3D打印还能这么玩。”近日,以两名中国研究者领衔的中澳联合研究团队首次用3D打印技术对一件来自澳大利亚4亿年前的盾皮鱼类化石进行了详细研究。负责此次研究的中国科学院古脊椎动物与古人类研究所副研究员卢静告诉北京青年报记者,原有的化石非常脆弱,最薄的位置不到0.1毫米,通过3D打印技术,研究者可以直观地了解这类原始鱼类的骨骼形态、神经血管走向、关节运动能力等信息。她介绍,盾皮鱼极可能是人类在生物演化进程中的“始祖”,破解盾皮鱼的更多细节可以帮我们揭开人类和人类身体构造的起源之谜。

4亿年前化石“薄如纸” 30年来无人敢问津

过去一年时间里,卢静一直把自己的精力投入在一块只有乒乓球大小的化石。作为中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的副研究员,卢静长期从事早期脊椎动物化石的研究工作,也和无数的化石打过交道,但眼前的这块距今已有约4亿年历史的化石仍然显得无比特殊。

“这是一块盾皮鱼头部化石,它很小,整条鱼也就是我们涮火锅时常吃的黄辣丁的大小,但与一般化石相比,这块化石保存非常完好,在专业术语上叫做特异埋藏。4亿年过去了,鱼头各块骨骼还基本保持在活着时候的位置上。仔细观察,我们甚至还能看到这条鱼脑袋里的血管和神经通过的管子,这些细微结构是对称分布的,没有变形。”卢静说。

一天天的研究,让卢静对早期鱼类化石的结构如数家珍,但她坦言,至今她连摸都没摸过这块化石一下。“这块化石30年前发现于澳大利亚首都堪培拉附近,如今归澳大利亚国立大学所有,只有该大学的加文·杨博士有触碰这块化石标本的‘资格’。”卢静介绍,之所以这样并非因为澳大利亚国立大学“小气”,而是因为这块化石太宝贵,又太脆弱了,“这块化石最薄的位置只有不到0.1毫米,还没有一张纸厚,尽管发现30多年了,却一直没人敢‘动’这件标本。”

但从去年开始,他们使用了3D打印技术,让这块化石“活了”过来,变得可以时时刻刻触摸、摆弄、研究。

卢静说,她和另一名来自中国的博士生胡雨致一道,利用显微CT技术对这块化石做了详尽的扫描。“虽然只是鱼的头部骨骼化石,但其实里面又可以细分成十几个部分,每部分都可能包括一块到几块不同的结构,经过高精度CT扫描后会虚拟生成连续的数千张切片。”

此后,卢静对着这些切片,开始一步步“炮制”3D模型。

盾皮鱼或为“人类始祖” 3D打印可分析血管结构

卢静说,过去研究鱼化石要整天坐在显微镜前,现在不仅要使用显微镜,还要坐在电脑前,每天至少花10个小时以上一张张“修理”扫描的切片,对化石结构进行重建。这个过程并不轻松,因为一件标本扫描后往往有上千张切片,而化石内部结构之间的界限往往并不清楚,更是需要反复观察不同方向的切片来确定界限。这是一个富有挑战性又无比繁琐的工作。“有时候,化石内的两块骨头像两块毯子一样,有一些部分重叠在了一起,几亿年的时间让这两部分之间的缝隙变得微乎其微,必须要反复不断对照切片,才能做出准确的判断。有一次,我花了一天的时间,就为了弄清脑腔里的一条血管是怎么走的。”

最终,花了3个多月的时间,卢静和同事完成了这条4亿年前的盾皮鱼的初步头部3D模型。“当时3D打印技术也是很火热的,我们就尝试利用3D打印将我们的模型放大6倍打印出来,没想到效果出奇的好。”卢静称,这是世界首次公开发表的用3D打印技术来进行的古代鱼类研究。

利用3D打印出来的化石模型,卢静可以像拼积木一样,将这条4亿年前的鱼头骨的各个部分进行分解、拼装,甚至对这条鱼进行虚拟的“解剖”,从而弄清楚骨骼之间的结构乃至血管、神经的排列模式。“比如通常我们只能猜测鱼的上下颌能够张开多大角度,现在有了这个化石的3D打印模型,我们可以直接验证关节的活动范围,模拟这条鱼的上下颌动作,也就能更加直观地获取这条4亿年前的鱼的更多信息。”

更重要的是,这些信息有可能揭示人类自己,还有人类的身体构造是怎么演变来的。生命科学已经证明,人类来自古代的猿,古猿又由更古老的祖先演化而来,人类的“家系”可以一步步上溯到古代水中的鱼类。卢静介绍,从鲨鱼、鲤鱼、青蛙、麻雀、猫、狗到人类,我们熟悉的大多数动物都长着脊椎和下巴,在演化上同属一类。近年来的一系列研究表明,这个大类,学术名称叫“有颌脊椎动物”,都是在4亿多年前由盾皮鱼类中的一个分支演化而来。所以,人类某个阶段的祖先模样曾经就和这块3D打印出来的化石盾皮鱼差不多,而人类的嘴巴也是由盾皮鱼类的上下颌演化而来。“解剖”这条鱼,其实是我们人类遥远祖先的考古现场,而研究它的上下颌结构,也就是在解答人类为什么会长出用来吃饭、呼吸、讲话的嘴巴。

相关技术已与国内分享 盼未来进入博物馆

卢静表示,目前她还在继续对这块化石做进一步的研究,“软骨一般很难成为化石,而这块化石内部的软骨结构也非常完美地保存了下来,这为我们提供了更多关于盾皮鱼的演化信息。我们还将进一步对它们的脑腔进行深入研究,在计算机中重建脑颅及相关神经、血管模型,并制作出更加准确的化石模型来深入‘解剖’。”

同时,对其他盾皮鱼化石的3D打印计划已经启动,未来可能会有更多的模型可供科学家进行直观的研究。卢静说,此前有一次,澳大利亚国立大学搞开放日活动,邀请了很多当地的小学生来学校参观最新的科研成果,当孩子们看到这个3D打印出来的可以拆卸拼装的盾皮鱼化石模型时都非常惊讶。他们惊喜的眼光给了卢静很深的触动。

她表示,目前她已经就如何将3D打印技术应用在古生物研究上和国内的专业人士做了分享。未来,她还希望能够将这个技术带到中国的博物馆中,让公众都能够直观感觉到古生物真实的样子,“想一想,孩子们也都可以亲自去触摸、拼装、翻来覆去摆弄这些以前放在玻璃柜里、只能远观的化石,这会带来全新的认知感受,更好激发大家对远古生命和古生物学科的兴趣。”

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(中国化石网报道)据中国科学院古脊椎动物与古人类研究所:颌的出现是脊椎动物演化史上最重要的几次飞跃之一,最早的有颌脊椎动物是身披大块膜质骨片的盾皮鱼类。过去曾经认为,盾皮鱼类只是有颌脊椎动物一个特化的旁支,已经在距今3.65亿年的泥盆纪末全部绝灭。但近年的一系列研究表明,所有其他有颌脊椎动物类群均由盾皮鱼类的一个早期支系演化而来。因此,盾皮鱼下属各支系的演化关系,以及盾皮鱼类哪些身体特征代表有颌类的原始形态,哪些是其自身特化等等问题,就直接关系到包括人类在内的现代有颌脊椎动物身体构造的起源,因而得到学界的重视。

解决这些问题的关键在于最大程度“榨取”化石中保存的解剖学信息。过去对真掌鳍鱼、杨氏鱼等早期鱼类化石详尽的经典工作,长久地为脊椎动物演化研究提供着重要资料。可是,盾皮鱼类化石与硬骨鱼类不同,其内骨骼系统主要由软骨构成,或者完全不骨化,或者只有脆弱而难以保存的周围骨化(骨膜骨化)。因此,盾皮鱼类化石往往只保存了外骨骼系统的膜质骨片,且其发现集中在中、晚泥盆世已经特化的属种上,早期属种的化石发现较少,保存状况多不理想。

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所卢静与澳大利亚国立大学加文·杨(Gavin Young)博士和博士生胡雨致联合团队首次在化石鱼类研究中应用高精度三维打印技术对一件来自澳大利亚4亿年前早泥盆世的精美盾皮鱼类化石进行了详细研究,展示了其颌部罕见地保存完美的精细解剖结构,为原始有颌脊椎动物颌部演化研究提供了重要的新知。论文发表于2017年8月10日出版的《科学报告》(Scientific Reports)上。

本次研究的标本发现于澳大利亚首都堪培拉附近4亿年前的早泥盆世地层中,是一件保存在钙质结核中,身体前半部近乎完整的化石,文中未正式命名。这件标本虽只有乒乓球大小,但它属于盾皮鱼类中的节甲鱼类之下的巴坎鱼科(Buchanosteidae),是晚泥盆世称霸水域的巨型掠食者邓氏鱼的祖先类型。身体形态与颌骨上锐利的齿突表明它应是一种在水底附近活动的小型捕食者。该标本早在上世纪八十年代末就已被发现,但即使经过耗时漫长的酸蚀修理,也只有表面可见的一部分解剖构造得到揭示。并且,经过酸处理的标本变得非常脆弱,对其的详细研究也因而长期搁置。

近年来新兴的显微CT、计算机重建和高精度三维打印等技术,方使对这件珍贵且脆弱标本的详细研究成为可能。其中高精度三维打印技术还是首次应用在相关研究中,它能以任意尺寸,任意数量,将计算机重建过程中虚拟解剖得到的精细结构复原为可方便地反复触摸、操控、比较的实体,使研究者可以像解剖现代生物标本一样,对灭绝生物的内部结构进行准确的拼合复原与对比研究。

早期脊椎动物中,构造复杂的头骨由几大区分明显的单元组成,头的顶部是覆盖着膜质骨颅顶甲的,由软骨或骨化软骨构成的脑颅,上下颌、鳃弓和鳃盖等单元则往往只是松散地悬挂在脑颅下方,因此在大多数化石中,这些单元要么没有保存,要么分散、变形,或大大移位。但在这件化石中,这些单元不仅得到完好保存,并且除稍有移位外,基本保持了其生活时的位置,使得研究者能够复原精细关节面的对应关系,上下颌的活动范围,以及各神经和血管在颌和颊部的通路等。研究还更新了对该类群许多重要结构特征的认识,如上颌与脑颅的悬挂关节点,上下颌关节面的位置,将鳃盖连接到脑颅的鳃盖软骨与舌弓软骨的同源关系等,提供了在其他盾皮鱼类化石中还没有见到过的确切资料。

章还尝试将该属种的颌部结构与硬骨鱼类的对应结构进行初步的比较。近年来在我国云南的志留系中发现了一个全新的盾皮鱼类群,即全颌盾皮鱼类,该类群展现了典型的盾皮鱼类身体和典型硬骨鱼的颌部特征,从而很大程度上填补了两大类群之间的形态鸿沟。在这些新知的基础之上,涵盖更多的研究对象,进一步开展精细的比较解剖学和系统发育分析,无疑将继续大大推动对脊椎动物颌部演化,乃至整个早期脊椎动物演化关系的研究。

项研究得到国家自然科学基金和澳大利亚研究理事会资助。

原文链接:www.nature.com/articles/s41598-017-07674-y
TAG: 3D打印 盾皮鱼 化石
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