列印一條3D的魚，然後 「解剖」它

你印象中的古生物學家是什麼樣的？你想象的古生物學的辦公室又是怎樣的？

堆滿了古老的岩石、死去億萬年動物的骨頭、氣味可疑的剝製標本，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先驅們的辦公室「配置」差不多。

這是因為，整個古生物學就建立在對化石與現生生物細緻入微的觀察和比較之上，不反覆擺弄這些化石和現生標本，研究根本無從談起。

圖1 堆滿稀奇古怪玩意的居維葉的辦公桌。圖片來源網路

但是，中科院古脊椎所盧靜副研究員的辦公室卻大不相同。

這裡更像一個現代化的設計工作室，計算機屏幕上顯示著多彩酷炫的數字建模，柜子和桌子上放著許許多多不同大小的精細模型。而真正的化石和動物標本則要麼安全地鎖在柜子深處，要麼放置在博物館明亮的櫥窗中向公眾展示。

圖2 用三維重建軟體對古代魚類進行『虛擬』解剖。圖片來源澳大利亞科學院

盧靜是研究化石魚類腦顱結構的專家，她更喜歡現在的研究方式和工作環境。珍寶館式的辦公場所也許在好古者眼中具有美學價值，但是，盧靜研究的化石標本大多都很小並且非常脆弱，在研究過程中即使經過了加固，並且操作過程中極為小心翼翼，但輾轉經年之後，還是會對標本造成一定損傷。難上加難的是，很多重要的結構深藏在化石內部，很難觀察到。所以，保護標本還是深入研究標本？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足足塵封了三十年。這就是發現於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結核中。學者們一直很想了解這些骨頭之間的位置關係和精細的解剖結構，但又難以在不破壞化石的前提下探查。

圖3 用三維重建軟體重建的澳大利亞早泥盆世盾皮魚類巴坎魚科新材料（右側視）

近年來，在古生物學界興起的X光顯微斷層掃描（MicroCT）和計算機重建技術為重啟對這件精美化石的研究提供了機會。X光的波長短，穿透力強，其光束因而能穿透化石，「照亮」其內部結構。更進一步，研究者可以根據掃描所得圖像，在計算機中對這些結構的立體形態進行數字建模。

圖4 把3D列印化石模型從印表機中「挖」出來。盧靜（圖左），澳大利亞國立大學在讀博士生胡雨致（圖右）

但是，隨著研究的深入，學者們不僅想看到一目了然的結構形態，更想知道特定結構之間精確的關聯和接觸關係。針對這一難點，盧靜和澳大利亞國立大學的研究人員首次在這一領域應用了一項時髦的新技術，這就是因為可能掀起工業生產模式的革命而成為熱門話題的3D列印。

圖5 3D列印的原始盾皮魚類頜部模型。圖片來源ANU TV

其實，古生物學家過去也使用石膏和樹脂複製化石模型來輔助研究工作。不過， 3D列印技術的功能要強大得多。這次，盧靜等人使用了一台最新型號的大型高解析度3D印表機，把計算機中重建的標本內部結構都分解開來，並分別列印成比原化石放大許多倍、但仍十分精細並完全忠實於建模原貌的實體模型。利用這些可以隨意、反覆擺弄的模型，他們就可以像傳統解剖學家用刀剪解剖動物一樣（其實，這一技術同樣可以並已經應用在對現生生物的形態解剖學研究中），對化石內部的精細結構進行分割、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。

圖6 組裝並研究3D列印盾皮魚化石模型。著名古魚類學家澳大利亞國立大學Gavin Young博士（左），盧靜（右）。圖片來源澳大利亞科學院

盧靜和她的同事們復原了這條已經死去四億年魚頭部細小的骨片、準確的上下頜關節、細密的血管和分支的神經。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，但卻屬於一種比較兇猛的捕食者，而且可能與泥盆紀晚期稱霸海洋的鄧氏魚有很近的親緣關係。過去人們曾經以為，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的越來越多的證據顯示，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。

圖7 從魚到人，脊椎動物頜部演化圖。澳大利亞弗林德斯大學博士后BrianChoo繪

四億年前的泥盆紀早期，澳大利亞的地理位置十分靠近，兩地的魚類化石也很相似。科學家推測，人類的魚類祖先在之前某一時期起源於南方大陸沿海，並在之後的幾千萬年中經過澳大利亞，擴散到世界各地，開啟了「魚類的時代」。其中的一支最終演化成包括人類在內的所有陸地脊椎動物。

應用新技術對中澳兩地化石進行全面、仔細的研究和對比，有望找到有關上述理論更多的證據，更清晰地還原人類的魚類祖先曾經的形態和史詩般的演化歷程。

該視頻採訪了中科院古脊椎所盧靜副研究員，介紹中澳雙方共同合作在探索從魚到人的演化問題上取得的新進展，揭示盾皮魚類在脊椎動物演化中扮演的重要角色。視頻來源：澳大利亞科學院。