“史前古魚(yú)”薄如紙30年無(wú)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?xún)擅袊芯空哳I(lǐng)銜的中澳聯(lián)合研究團隊首次用3D打印技術(shù)對一件來(lái)自澳大利亞4億年前的盾皮魚(yú)類(lèi)化石進(jìn)行了詳細研究。負責此次研究的中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)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(guò)3D打印技術(shù)，研究者可以直觀(guān)地了解這類(lèi)原始魚(yú)類(lèi)的骨骼形態(tài)、神經(jīng)血管走向、關(guān)節運動(dòng)能力等信息。她介紹，盾皮魚(yú)極可能是人類(lèi)在生物演化進(jìn)程中的“始祖”，破解盾皮魚(yú)的更多細節可以幫我們揭開(kāi)人類(lèi)和人類(lèi)身體構造的起源之謎。

　　研究人員展示盾皮魚(yú)化石

　　4億年前化石“薄如紙”，30年來(lái)無(wú)人敢問(wèn)津

　　過(guò)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(lèi)研究所的副研究員，盧靜長(cháng)期從事早期脊椎動(dòng)物化石的研究工作，也和無(wú)數的化石打過(guò)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(wú)比特殊。

　　“這是一塊盾皮魚(yú)頭部化石，它很小，整條魚(yú)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(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)上叫做特異埋藏。4億年過(guò)去了，魚(yú)頭各塊骨骼還基本保持在活著(zhù)時(shí)候的位置上。仔細觀(guān)察，我們甚至還能看到這條魚(yú)腦袋里的血管和神經(jīng)通過(guò)的管子，這些細微結構是對稱(chēng)分布的，沒(méi)有變形。”盧靜說(shuō)。

　　一天天的研究，讓盧靜對早期魚(yú)類(lèi)化石的結構如數家珍，但她坦言，至今她連摸都沒(méi)摸過(guò)這塊化石一下。“這塊化石30年前發(fā)現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本的 資格 。”盧靜介紹，之所以這樣并非因為澳大利亞國立大學(xué)“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只有不到0.1毫米，還沒(méi)有一張紙厚，盡管發(fā)現30多年了，卻一直沒(méi)人敢動(dòng)這件標本。”

　　但從去年開(kāi)始，他們使用了3D打印技術(shù)，讓這塊化石“活了”過(guò)來(lái)，變得可以時(shí)時(shí)刻刻觸摸、擺弄、研究。

　　盧靜說(shuō)，她和另一名來(lái)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(yú)的頭部骨骼化石，但其實(shí)里面又可以細分成十幾個(gè)部分，每部分都可能包括一塊到幾塊不同的結構，經(jīng)過(guò)高精度CT掃描后會(huì )虛擬生成連續的數千張切片。”

　　此后，盧靜對著(zhù)這些切片，開(kāi)始一步步“炮制”3D模型。

　　盾皮魚(yú)或為“人類(lèi)始祖”，3D打印可分析血管結構

　　盧靜說(shuō)，過(guò)去研究魚(yú)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(gè)小時(shí)以上一張張“修理”掃描的切片，對化石結構進(jìn)行重建。這個(gè)過(guò)程并不輕松，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并不清楚，更是需要反復觀(guān)察不同方向的切片來(lái)確定界限。這是一個(gè)富有挑戰性又無(wú)比繁瑣的工作。“有時(shí)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(shí)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，才能做出準確的判斷。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(yú)的初步頭部3D模型。“當時(shí)3D打印技術(shù)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(lái)，沒(méi)想到效果出奇的好。”盧靜稱(chēng)，這是世界首次公開(kāi)發(fā)表的用3D打印技術(shù)來(lái)進(jìn)行的古代魚(yú)類(lèi)研究。

　　利用3D打印出來(lái)的化石模型，盧靜可以像拼積木一樣，將這條4億年前的魚(yú)頭骨的各個(gè)部分進(jìn)行分解、拼裝，甚至對這條魚(yú)進(jìn)行虛擬的“解剖”，從而弄清楚骨骼之間的結構乃至血管、神經(jīng)的排列模式。“比如通常我們只能猜測魚(yú)的上下頜能夠張開(kāi)多大角度，現在有了這個(gè)化石的3D打印模型，我們可以直接驗證關(guān)節的活動(dòng)范圍，模擬這條魚(yú)的上下頜動(dòng)作，也就能更加直觀(guān)地獲取這條4億年前的魚(yú)的更多信息。”

　　更重要的是，這些信息有可能揭示人類(lèi)自己，還有人類(lèi)的身體構造是怎么演變來(lái)的。生命科學(xué)已經(jīng)證明，人類(lèi)來(lái)自古代的猿，古猿又由更古老的祖先演化而來(lái)，人類(lèi)的“家系”可以一步步上溯到古代水中的魚(yú)類(lèi)。盧靜介紹，從鯊魚(yú)、鯉魚(yú)、青蛙、麻雀、貓、狗到人類(lèi)，我們熟悉的大多數動(dòng)物都長(cháng)著(zhù)脊椎和下巴，在演化上同屬一類(lèi)。近年來(lái)的一系列研究表明，這個(gè)大類(lèi)，學(xué)術(shù)名稱(chēng)叫“有頜脊椎動(dòng)物”，都是在4億多年前由盾皮魚(yú)類(lèi)中的一個(gè)分支演化而來(lái)。所以，人類(lèi)某個(gè)階段的祖先模樣曾經(jīng)就和這塊3D打印出來(lái)的化石盾皮魚(yú)差不多，而人類(lèi)的嘴巴也是由盾皮魚(yú)類(lèi)的上下頜演化而來(lái)。“解剖”這條魚(yú)，其實(shí)是我們人類(lèi)遙遠祖先的考古現場(chǎng)，而研究它的上下頜結構，也就是在解答人類(lèi)為什么會(huì )長(cháng)出用來(lái)吃飯、呼吸、講話(huà)的嘴巴。

　　相關(guān)技術(shù)已與國內分享，盼未來(lái)進(jìn)入博物館

　　盧靜表示，目前她還在繼續對這塊化石做進(jìn)一步的研究，“軟骨一般很難成為化石，而這塊化石內部的軟骨結構也非常完美地保存了下來(lái)，這為我們提供了更多關(guān)于盾皮魚(yú)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，在計算機中重建腦顱及相關(guān)神經(jīng)、血管模型，并制作出更加準確的化石模型來(lái)深入 解剖 。”

　　同時(shí)，對其他盾皮魚(yú)化石的3D打印計劃已經(jīng)啟動(dòng)，未來(lái)可能會(huì )有更多的模型可供科學(xué)家進(jìn)行直觀(guān)的研究。盧靜說(shuō)，此前有一次，澳大利亞國立大學(xué)搞開(kāi)放日活動(dòng)，邀請了很多當地的小學(xué)生來(lái)學(xué)校參觀(guān)最新的科研成果，當孩子們看到這個(gè)3D打印出來(lái)的可以拆卸拼裝的盾皮魚(yú)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)應用在古生物研究上和國內的專(zhuān)業(yè)人士做了分享。未來(lái)，她還希望能夠將這個(gè)技術(shù)帶到中國的博物館中，讓公眾都能夠直觀(guān)感覺(jué)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(lái)覆去擺弄這些以前放在玻璃柜里、只能遠觀(guān)的化石，這會(huì )帶來(lái)全新的認知感受，更好激發(fā)大家對遠古生命和古生物學(xué)科的興趣。”