“史前古魚”薄如紙30年無人敢動(dòng) 學(xué)者用3D打印揭秘

　　“想不到3D打印還能這么玩。”近日，以兩名中國研究者領(lǐng)銜的中澳聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)首次用3D打印技術(shù)對一件來自澳大利亞4億年前的盾皮魚類化石進(jìn)行了詳細(xì)研究。負(fù)責(zé)此次研究的中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所副研究員盧靜告訴北京青年報(bào)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(shù)，研究者可以直觀地了解這類原始魚類的骨骼形態(tài)、神經(jīng)血管走向、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能力等信息。她介紹，盾皮魚極可能是人類在生物演化進(jìn)程中的“始祖”，破解盾皮魚的更多細(xì)節(jié)可以幫我們揭開人類和人類身體構(gòu)造的起源之謎。

　　研究人員展示盾皮魚化石

　　4億年前化石“薄如紙”，30年來無人敢問津

　　過去一年時(shí)間里，盧靜一直把自己的精力投入在一塊只有乒乓球大小的化石。作為中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所的副研究員，盧靜長期從事早期脊椎動(dòng)物化石的研究工作，也和無數(shù)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(shí)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(yè)術(shù)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(shí)候的位置上。仔細(xì)觀察，我們甚至還能看到這條魚腦袋里的血管和神經(jīng)通過的管子，這些細(xì)微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如數(shù)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(fā)現(xiàn)于澳大利亞首都堪培拉附近，如今歸澳大利亞國立大學(xué)所有，只有該大學(xué)的加文·楊博士有觸碰這塊化石標(biāo)本的 資格 。”盧靜介紹，之所以這樣并非因?yàn)榘拇罄麃唶⒋髮W(xué)“小氣”，而是因?yàn)檫@塊化石太寶貴，又太脆弱了，“這塊化石最薄的位置只有不到0.1毫米，還沒有一張紙厚，盡管發(fā)現(xiàn)30多年了，卻一直沒人敢動(dòng)這件標(biāo)本。”

　　但從去年開始，他們使用了3D打印技術(shù)，讓這塊化石“活了”過來，變得可以時(shí)時(shí)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(shù)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(shí)里面又可以細(xì)分成十幾個(gè)部分，每部分都可能包括一塊到幾塊不同的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過高精度CT掃描后會(huì)虛擬生成連續(xù)的數(shù)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?yàn)?ldquo;人類始祖”，3D打印可分析血管結(jié)構(gòu)

　　盧靜說，過去研究魚化石要整天坐在顯微鏡前，現(xiàn)在不僅要使用顯微鏡，還要坐在電腦前，每天至少花10個(gè)小時(shí)以上一張張“修理”掃描的切片，對化石結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建。這個(gè)過程并不輕松，因?yàn)橐患?biāo)本掃描后往往有上千張切片，而化石內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的界限往往并不清楚，更是需要反復(fù)觀察不同方向的切片來確定界限。這是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性又無比繁瑣的工作。“有時(shí)候，化石內(nèi)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(shí)間讓這兩部分之間的縫隙變得微乎其微，必須要反復(fù)不斷對照切片，才能做出準(zhǔn)確的判斷。有一次，我花了一天的時(shí)間，就為了弄清腦腔里的一條血管是怎么走的。”

　　最終，花了3個(gè)多月的時(shí)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(dāng)時(shí)3D打印技術(shù)也是很火熱的，我們就嘗試?yán)?D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(fā)表的用3D打印技術(shù)來進(jìn)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(gè)部分進(jìn)行分解、拼裝，甚至對這條魚進(jìn)行虛擬的“解剖”，從而弄清楚骨骼之間的結(jié)構(gòu)乃至血管、神經(jīng)的排列模式。“比如通常我們只能猜測魚的上下頜能夠張開多大角度，現(xiàn)在有了這個(gè)化石的3D打印模型，我們可以直接驗(yàn)證關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍，模擬這條魚的上下頜動(dòng)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(gòu)造是怎么演變來的。生命科學(xué)已經(jīng)證明，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(shù)動(dòng)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(gè)大類，學(xué)術(shù)名稱叫“有頜脊椎動(dòng)物”，都是在4億多年前由盾皮魚類中的一個(gè)分支演化而來。所以，人類某個(gè)階段的祖先模樣曾經(jīng)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(shí)是我們?nèi)祟愡b遠(yuǎn)祖先的考古現(xiàn)場，而研究它的上下頜結(jié)構(gòu)，也就是在解答人類為什么會(huì)長出用來吃飯、呼吸、講話的嘴巴。

　　相關(guān)技術(shù)已與國內(nèi)分享，盼未來進(jìn)入博物館

　　盧靜表示，目前她還在繼續(xù)對這塊化石做進(jìn)一步的研究，“軟骨一般很難成為化石，而這塊化石內(nèi)部的軟骨結(jié)構(gòu)也非常完美地保存了下來，這為我們提供了更多關(guān)于盾皮魚的演化信息。我們還將進(jìn)一步對它們的腦腔進(jìn)行深入研究，在計(jì)算機(jī)中重建腦顱及相關(guān)神經(jīng)、血管模型，并制作出更加準(zhǔn)確的化石模型來深入 解剖 。”

　　同時(shí)，對其他盾皮魚化石的3D打印計(jì)劃已經(jīng)啟動(dòng)，未來可能會(huì)有更多的模型可供科學(xué)家進(jìn)行直觀的研究。盧靜說，此前有一次，澳大利亞國立大學(xué)搞開放日活動(dòng)，邀請了很多當(dāng)?shù)氐男W(xué)生來學(xué)校參觀最新的科研成果，當(dāng)孩子們看到這個(gè)3D打印出來的可以拆卸拼裝的盾皮魚化石模型時(shí)都非常驚訝。他們驚喜的眼光給了盧靜很深的觸動(dòng)。

　　她表示，目前她已經(jīng)就如何將3D打印技術(shù)應(yīng)用在古生物研究上和國內(nèi)的專業(yè)人士做了分享。未來，她還希望能夠?qū)⑦@個(gè)技術(shù)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(shí)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柜里、只能遠(yuǎn)觀的化石，這會(huì)帶來全新的認(rèn)知感受，更好激發(fā)大家對遠(yuǎn)古生命和古生物學(xué)科的興趣。”