3D打印一條史前古魚，然后 “解剖”它

堆滿了古老的巖石、死去億萬年動物的骨頭、氣味可疑的剝制標(biāo)本，以及玻璃瓶中浸泡的怪異生物……是的，直到十幾年前，大部分古生物學(xué)家的辦公室里都還是這樣的“配置”。這跟一兩百年前居維葉這樣的古生物學(xué)先驅(qū)們的辦公室“配置”差不多。這是因?yàn)?，整個古生物學(xué)就建立在對化石與現(xiàn)生生物細(xì)致入微的觀察和比較之上，不反復(fù)擺弄這些化石和現(xiàn)生標(biāo)本，研究根本無從談起。

而現(xiàn)在的辦公室更像一個現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)工作室，計(jì)算機(jī)屏幕上顯示著多彩酷炫的數(shù)字建模，柜子和桌子上放著許許多多不同大小的精細(xì)模型。而真正的化石和動物標(biāo)本則要么安全地鎖在柜子深處，要么放置在博物館明亮的櫥窗中向公眾展示。

盧靜是研究化石魚類腦顱結(jié)構(gòu)的專家，她更喜歡現(xiàn)在的研究方式和工作環(huán)境。珍寶館式的辦公場所也許在好古者眼中具有美學(xué)價(jià)值，但是，盧靜研究的化石標(biāo)本大多都很小并且非常脆弱，在研究過程中即使經(jīng)過了加固，并且操作過程中極為小心翼翼，但輾轉(zhuǎn)經(jīng)年之后，還是會對標(biāo)本造成一定損傷。難上加難的是，很多重要的結(jié)構(gòu)深藏在化石內(nèi)部，很難觀察到。所以，保護(hù)標(biāo)本還是深入研究標(biāo)本？兩者一度是有所矛盾的。

正因存此顧慮，盧靜等人最近研究的一件來自澳大利亞的罕見的精美魚類化石曾經(jīng)足足塵封了三十年。這就是發(fā)現(xiàn)于澳大利亞早泥盆世的盾皮魚類巴坎魚科新化石材料。

此前一般印象中的魚化石是像圖畫一樣扁平保存的骨架，但這件魚化石保存了立體的原貌，各部位之間只有輕微移位。在它的頭顱深處，甚至可以看到許多精密的血管和神經(jīng)通路，以及容納腦的腔體。所有這些珍貴信息都包含在一個只有乒乓球大小的鈣質(zhì)結(jié)核中。學(xué)者們一直很想了解這些骨頭之間的位置關(guān)系和精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)，但又難以在不破壞化石的前提下探查。

近年來，在古生物學(xué)界興起的X光顯微斷層掃描（MicroCT）和計(jì)算機(jī)重建技術(shù)為重啟對這件精美化石的研究提供了機(jī)會。X光的波長短，穿透力強(qiáng)，其光束因而能穿透化石，“照亮”其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。更進(jìn)一步，研究者可以根據(jù)掃描所得圖像，在計(jì)算機(jī)中對這些結(jié)構(gòu)的立體形態(tài)進(jìn)行數(shù)字建模。

但是，隨著研究的深入，學(xué)者們不僅想看到一目了然的結(jié)構(gòu)形態(tài)，更想知道特定結(jié)構(gòu)之間精確的關(guān)聯(lián)和接觸關(guān)系。針對這一難點(diǎn)，盧靜和澳大利亞國立大學(xué)的研究人員首次在這一領(lǐng)域應(yīng)用了一項(xiàng)時(shí)髦的新技術(shù)，這就是因?yàn)榭赡芟破鸸I(yè)生產(chǎn)模式的革命而成為熱門話題的3D打印。

其實(shí)，古生物學(xué)家過去也使用石膏和樹脂復(fù)制化石模型來輔助研究工作。不過， 3D打印技術(shù)的功能要強(qiáng)大得多。這次，盧靜等人使用了一臺最新型號的大型高分辨率3D打印機(jī)，把計(jì)算機(jī)中重建的標(biāo)本內(nèi)部結(jié)構(gòu)都分解開來，并分別打印成比原化石放大許多倍、但仍十分精細(xì)并完全忠實(shí)于建模原貌的實(shí)體模型。利用這些可以隨意、反復(fù)擺弄的模型，他們就可以像傳統(tǒng)解剖學(xué)家用刀剪解剖動物一樣（其實(shí)，這一技術(shù)同樣可以并已經(jīng)應(yīng)用在對現(xiàn)生生物的形態(tài)解剖學(xué)研究中），對化石內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割、拼合、比較等研究。如此一來，就完全不會對化石本身造成損傷。

盧靜和她的同事們復(fù)原了這條已經(jīng)死去四億年魚頭部細(xì)小的骨片、準(zhǔn)確的上下頜關(guān)節(jié)、細(xì)密的血管和分支的神經(jīng)。從總體外形上來看，這條魚雖只有黃辣丁大小，身長約25厘米，但卻屬于一種比較兇猛的捕食者，而且可能與泥盆紀(jì)晚期稱霸海洋的鄧氏魚有很近的親緣關(guān)系。過去人們曾經(jīng)以為，這個被稱為盾皮魚的類群都是魚類早期演化的滅絕旁支。但包括本次研究在內(nèi)的越來越多的證據(jù)顯示，盾皮魚是最原始的有上下頜魚類，它們和人類的水生魚類祖先演化密切相關(guān)。

四億年前的泥盆紀(jì)早期，澳大利亞的地理位置十分靠近中國，兩地的魚類化石也很相似。科學(xué)家推測，人類的魚類祖先在之前某一時(shí)期起源于中國南方大陸沿海，并在之后的幾千萬年中經(jīng)過澳大利亞，擴(kuò)散到世界各地，開啟了“魚類的時(shí)代”。其中的一支最終演化成包括人類在內(nèi)的所有陸地脊椎動物。

應(yīng)用新技術(shù)對中澳兩地化石進(jìn)行全面、仔細(xì)的研究和對比，有望找到有關(guān)上述理論更多的證據(jù)，更清晰地還原人類的魚類祖先曾經(jīng)的形態(tài)和史詩般的演化歷程。

來源：中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究