盾皮魚化石年代已有4億年 3D打印揭秘“史前古魚”

屈暢

2017年09月10日16:26  來源:北京青年報
 

  研究人員展示盾皮魚化石

  盾皮魚化石年代已有4億年 自發現時起30多年一直沒人敢動

  中國學者3D打印揭秘“史前古魚”

  “想不到3D打印還能這麼玩。”近日,以兩名中國研究者領銜的中澳聯合研究團隊首次用3D打印技術對一件來自澳大利亞4億年前的盾皮魚類化石進行了詳細研究。負責此次研究的中國科學院古脊椎動物與古人類研究所副研究員盧靜告訴北京青年報記者,原有的化石非常脆弱,最薄的位置不到0.1毫米,通過3D打印技術,研究者可以直觀地了解這類原始魚類的骨骼形態、神經血管走向、關節運動能力等信息。她介紹,盾皮魚極可能是人類在生物演化進程中的“始祖”,破解盾皮魚的更多細節可以幫我們揭開人類和人類身體構造的起源之謎。

  4億年前化石“薄如紙”

  30年來無人敢問津

  過去一年時間裡,盧靜一直把自己的精力投入在一塊隻有乒乓球大小的化石。作為中國科學院古脊椎動物與古人類研究所的副研究員,盧靜長期從事早期脊椎動物化石的研究工作,也和無數的化石打過交道,但眼前的這塊距今已有約4億年歷史的化石仍然顯得無比特殊。

  “這是一塊盾皮魚頭部化石,它很小,整條魚也就是我們涮火鍋時常吃的黃辣丁的大小,但與一般化石相比,這塊化石保存非常完好,在專業術語上叫做特異埋藏。4億年過去了,魚頭各塊骨骼還基本保持在活著時候的位置上。仔細觀察,我們甚至還能看到這條魚腦袋裡的血管和神經通過的管子,這些細微結構是對稱分布的,沒有變形。”盧靜說。

  一天天的研究,讓盧靜對早期魚類化石的結構如數家珍,但她坦言,至今她連摸都沒摸過這塊化石一下。“這塊化石30年前發現於澳大利亞首都堪培拉附近,如今歸澳大利亞國立大學所有,隻有該大學的加文·楊博士有觸碰這塊化石標本的‘資格’。”盧靜介紹,之所以這樣並非因為澳大利亞國立大學“小氣”,而是因為這塊化石太寶貴,又太脆弱了,“這塊化石最薄的位置隻有不到0.1毫米,還沒有一張紙厚,盡管發現30多年了,卻一直沒人敢‘動’這件標本。”

  但從去年開始,他們使用了3D打印技術,讓這塊化石“活了”過來,變得可以時時刻刻觸摸、擺弄、研究。

  盧靜說,她和另一名來自中國的博士生胡雨致一道,利用顯微CT技術對這塊化石做了詳盡的掃描。“雖然只是魚的頭部骨骼化石,但其實裡面又可以細分成十幾個部分,每部分都可能包括一塊到幾塊不同的結構,經過高精度CT掃描后會虛擬生成連續的數千張切片。”

  此后,盧靜對著這些切片,開始一步步“炮制”3D模型。

  盾皮魚或為“人類始祖”

  3D打印可分析血管結構

  盧靜說,過去研究魚化石要整天坐在顯微鏡前,現在不僅要使用顯微鏡,還要坐在電腦前,每天至少花10個小時以上一張張“修理”掃描的切片,對化石結構進行重建。這個過程並不輕鬆,因為一件標本掃描后往往有上千張切片,而化石內部結構之間的界限往往並不清楚,更是需要反復觀察不同方向的切片來確定界限。這是一個富有挑戰性又無比繁瑣的工作。“有時候,化石內的兩塊骨頭像兩塊毯子一樣,有一些部分重疊在了一起,幾億年的時間讓這兩部分之間的縫隙變得微乎其微,必須要反復不斷對照切片,才能做出准確的判斷。有一次,我花了一天的時間,就為了弄清腦腔裡的一條血管是怎麼走的。”

  最終,花了3個多月的時間,盧靜和同事完成了這條4億年前的盾皮魚的初步頭部3D模型。“當時3D打印技術也是很火熱的,我們就嘗試利用3D打印將我們的模型放大6倍打印出來,沒想到效果出奇的好。”盧靜稱,這是世界首次公開發表的用3D打印技術來進行的古代魚類研究。

  利用3D打印出來的化石模型,盧靜可以像拼積木一樣,將這條4億年前的魚頭骨的各個部分進行分解、拼裝,甚至對這條魚進行虛擬的“解剖”,從而弄清楚骨骼之間的結構乃至血管、神經的排列模式。“比如通常我們隻能猜測魚的上下頜能夠張開多大角度,現在有了這個化石的3D打印模型,我們可以直接驗証關節的活動范圍,模擬這條魚的上下頜動作,也就能更加直觀地獲取這條4億年前的魚的更多信息。”

  更重要的是,這些信息有可能揭示人類自己,還有人類的身體構造是怎麼演變來的。生命科學已經証明,人類來自古代的猿,古猿又由更古老的祖先演化而來,人類的“家系”可以一步步上溯到古代水中的魚類。盧靜介紹,從鯊魚、鯉魚、青蛙、麻雀、貓、狗到人類,我們熟悉的大多數動物都長著脊椎和下巴,在演化上同屬一類。近年來的一系列研究表明,這個大類,學術名稱叫“有頜脊椎動物”,都是在4億多年前由盾皮魚類中的一個分支演化而來。所以,人類某個階段的祖先模樣曾經就和這塊3D打印出來的化石盾皮魚差不多,而人類的嘴巴也是由盾皮魚類的上下頜演化而來。“解剖”這條魚,其實是我們人類遙遠祖先的考古現場,而研究它的上下頜結構,也就是在解答人類為什麼會長出用來吃飯、呼吸、講話的嘴巴。

  相關技術已與國內分享

  盼未來進入博物館

  盧靜表示,目前她還在繼續對這塊化石做進一步的研究,“軟骨一般很難成為化石,而這塊化石內部的軟骨結構也非常完美地保存了下來,這為我們提供了更多關於盾皮魚的演化信息。我們還將進一步對它們的腦腔進行深入研究,在計算機中重建腦顱及相關神經、血管模型,並制作出更加准確的化石模型來深入‘解剖’。”

  同時,對其他盾皮魚化石的3D打印計劃已經啟動,未來可能會有更多的模型可供科學家進行直觀的研究。盧靜說,此前有一次,澳大利亞國立大學搞開放日活動,邀請了很多當地的小學生來學校參觀最新的科研成果,當孩子們看到這個3D打印出來的可以拆卸拼裝的盾皮魚化石模型時都非常驚訝。他們驚喜的眼光給了盧靜很深的觸動。

  她表示,目前她已經就如何將3D打印技術應用在古生物研究上和國內的專業人士做了分享。未來,她還希望能夠將這個技術帶到中國的博物館中,讓公眾都能夠直觀感覺到古生物真實的樣子,“想一想,孩子們也都可以親自去觸摸、拼裝、翻來覆去擺弄這些以前放在玻璃櫃裡、隻能遠觀的化石,這會帶來全新的認知感受,更好激發大家對遠古生命和古生物學科的興趣。”

  文/本報記者 屈暢 線索提供/朱女士

(責編:陳悅、單芳)

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