远古盾皮鱼是人类的祖先吗
2020-09-01
中澳科学家通过对一种生活在4亿年前叫做“盾皮鱼”的鱼类化石研究发现，这种远古鱼类有着和人类一样的颌骨。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所和澳大利亚国立大学的科学家通力合作，用全新的研究方法，在探索从鱼到人的演化问题上取得了重大进展。
他们通过显微CT、计算机重建和高精度3D打印，对一块在澳大利亚首都堪培拉附近发现的盾皮鱼化石，进行了6倍大小的还原。“这是我们第一次把3D打印技术用到古鱼类研究中。”中科院古脊椎动物与古人类研究所副研究员卢静说，“新的研究把盾皮鱼类这种过去一直被认为是一个演化旁支的脊椎动物，拉回到了人类演化的主干中。”
打印一条3D的鱼
整个古生物学建立在对化石与现生生物细致入微的观察和比较之上，不反复摆弄这些化石和现生标本，研究根本无从谈起。
走进卢静的办公室，丝毫感受不到古生物学的气息，而完全像一个现代化的设计工作室：计算机屏幕上显示着多彩酷炫的数字建模，柜子和桌子上放着许许多多不同大小的精细模型。
卢静是研究化石鱼类脑颅结构的专家，她所研究的化石标本大都很小，并且非常脆弱。在研究的过程中，即使对这些标本进行了加固，且操作过程极为小心翼翼，但多年使用之后，标本还是会遭受一定的损伤。难上加难的是，很多重要的结构深藏在化石内部，很难观察到。所以，究竟是要保护标本还是深入研究标本，两者一度有所矛盾。
正因存此顾虑，卢静等人最近研究的一件来自澳大利亚的罕见精美鱼类化石，足足尘封了30年——这就是发现于澳大利亚早泥盆世的盾皮鱼类巴坎鱼科化石。
此前，一般印象中的鱼化石是像图画一样扁平保存的骨架，但这件鱼化石保存了立体的原貌，各部位之间只有轻微移位。在它的头颅深处，甚至可以看到许多精密的血管和神经通路，以及容纳脑的腔体。所有这些珍贵信息都包含在一个只有乒乓球大小的钙质结核中。学者们一直很想了解这些骨头之间的位置关系和精细的解剖结构，但又难以在不破坏化石的前提下探查。
对古鱼进行虚拟解剖
近年来，在古生物学界兴起的X光显微断层扫描和计算机重建技术，为重启对这件精美化石的研究提供了机会。
X光的波长短，穿透力强，其光束因而能穿透化石，“照亮”其内部结构。更进一步，研究者可以根据扫描所得图像，在计算机中对这些结构的立体形态进行数字建模。
但是，随着研究的深入，学者们不仅想看到一目了然的结构形态，更想知道特定结构之间精确的关联和接触关系。针对这一难点，卢静和澳大利亚国立大学的研究人员首次在这一领域应用了一项时髦的新技术——3D打印。
其实，古生物学家过去也使用石膏和树脂复制化石模型来辅助研究工作。不过，3D打印技术的功能要强大得多。这次，卢静等人使用了一台最新型号的大型高分辨率3D打印机，把计算机中重建的标本内部结构都分解开来，并分别打印成比原化石放大许多倍、但仍十分精细并完全忠实于建模原貌的实体模型。利用这些可以随意、反复摆弄的模型，他们就可以像传统解剖学家用刀剪解剖动物一样 (其实，这一技术同样可以并已经应用在对现生生物的形态解剖学研究中)，对化石内部的精细结构进行分割、拼合、比较等研究。如此一来，就完全不会对化石本身造成损伤。
卢静和她的同事们对这条已经死去4亿年的鱼头部细小的骨片、上下颌关节、细密的血管和分支神经，进行了准确的复原。
盾皮鱼虽然体形不大，身长约25厘米，但却属于比较凶猛的捕食动物，纳米氮化硼，而且与泥盆纪晚期称霸海洋的邓氏鱼也可能有很近的亲缘关系。过去人们曾经以为，这个被称为盾皮鱼的类群都是鱼类早期演化的灭绝旁支，但包括本次研究在内的越来越多的证据显示，盾皮鱼是最原始的有上下颌的鱼类，它们和人类的水生鱼类祖先演化密切相关。
4亿年前的泥盆纪早期，澳大利亚的地理位置十分靠近中国，两地的鱼类化石也很相似。但澳大利亚发现的盾皮鱼化石，颌的内部结构比在中国发现的盾皮鱼化石保存得更加完好。
科学家推测，人类的鱼类祖先在之前某一时期起源于中国南方大陆沿海，并在之后的几千万年中经过澳大利亚，扩散到世界各地，开启了“鱼类的时代”。其中的一支最终演化成包括人类在内的所有陆地脊椎动物。
应用新技术对中澳两地化石进行全面、仔细的研究和对比， 纳米二氧化锰，有望找到有关上述理论的更多证据，更清晰地还原人类的鱼类祖先曾经的形态和史诗般的演化历程。
(中国科学院古脊椎动物与古人类研究所供稿)
他们通过显微CT、计算机重建和高精度3D打印，对一块在澳大利亚首都堪培拉附近发现的盾皮鱼化石，进行了6倍大小的还原。“这是我们第一次把3D打印技术用到古鱼类研究中。”中科院古脊椎动物与古人类研究所副研究员卢静说，“新的研究把盾皮鱼类这种过去一直被认为是一个演化旁支的脊椎动物，拉回到了人类演化的主干中。”
打印一条3D的鱼
整个古生物学建立在对化石与现生生物细致入微的观察和比较之上，不反复摆弄这些化石和现生标本，研究根本无从谈起。
走进卢静的办公室，丝毫感受不到古生物学的气息，而完全像一个现代化的设计工作室：计算机屏幕上显示着多彩酷炫的数字建模，柜子和桌子上放着许许多多不同大小的精细模型。
卢静是研究化石鱼类脑颅结构的专家，她所研究的化石标本大都很小，并且非常脆弱。在研究的过程中，即使对这些标本进行了加固，且操作过程极为小心翼翼，但多年使用之后，标本还是会遭受一定的损伤。难上加难的是，很多重要的结构深藏在化石内部，很难观察到。所以，究竟是要保护标本还是深入研究标本，两者一度有所矛盾。
正因存此顾虑，卢静等人最近研究的一件来自澳大利亚的罕见精美鱼类化石，足足尘封了30年——这就是发现于澳大利亚早泥盆世的盾皮鱼类巴坎鱼科化石。
此前，一般印象中的鱼化石是像图画一样扁平保存的骨架，但这件鱼化石保存了立体的原貌，各部位之间只有轻微移位。在它的头颅深处，甚至可以看到许多精密的血管和神经通路，以及容纳脑的腔体。所有这些珍贵信息都包含在一个只有乒乓球大小的钙质结核中。学者们一直很想了解这些骨头之间的位置关系和精细的解剖结构，但又难以在不破坏化石的前提下探查。
对古鱼进行虚拟解剖
近年来，在古生物学界兴起的X光显微断层扫描和计算机重建技术，为重启对这件精美化石的研究提供了机会。
X光的波长短，穿透力强，其光束因而能穿透化石，“照亮”其内部结构。更进一步，研究者可以根据扫描所得图像，在计算机中对这些结构的立体形态进行数字建模。
但是，随着研究的深入，学者们不仅想看到一目了然的结构形态，更想知道特定结构之间精确的关联和接触关系。针对这一难点，卢静和澳大利亚国立大学的研究人员首次在这一领域应用了一项时髦的新技术——3D打印。
其实，古生物学家过去也使用石膏和树脂复制化石模型来辅助研究工作。不过，3D打印技术的功能要强大得多。这次，卢静等人使用了一台最新型号的大型高分辨率3D打印机，把计算机中重建的标本内部结构都分解开来，并分别打印成比原化石放大许多倍、但仍十分精细并完全忠实于建模原貌的实体模型。利用这些可以随意、反复摆弄的模型，他们就可以像传统解剖学家用刀剪解剖动物一样 (其实，这一技术同样可以并已经应用在对现生生物的形态解剖学研究中)，对化石内部的精细结构进行分割、拼合、比较等研究。如此一来，就完全不会对化石本身造成损伤。
卢静和她的同事们对这条已经死去4亿年的鱼头部细小的骨片、上下颌关节、细密的血管和分支神经，进行了准确的复原。
盾皮鱼虽然体形不大，身长约25厘米，但却属于比较凶猛的捕食动物，纳米氮化硼，而且与泥盆纪晚期称霸海洋的邓氏鱼也可能有很近的亲缘关系。过去人们曾经以为，这个被称为盾皮鱼的类群都是鱼类早期演化的灭绝旁支，但包括本次研究在内的越来越多的证据显示，盾皮鱼是最原始的有上下颌的鱼类，它们和人类的水生鱼类祖先演化密切相关。
4亿年前的泥盆纪早期，澳大利亚的地理位置十分靠近中国，两地的鱼类化石也很相似。但澳大利亚发现的盾皮鱼化石，颌的内部结构比在中国发现的盾皮鱼化石保存得更加完好。
科学家推测，人类的鱼类祖先在之前某一时期起源于中国南方大陆沿海，并在之后的几千万年中经过澳大利亚，扩散到世界各地，开启了“鱼类的时代”。其中的一支最终演化成包括人类在内的所有陆地脊椎动物。
应用新技术对中澳两地化石进行全面、仔细的研究和对比， 纳米二氧化锰，有望找到有关上述理论的更多证据，更清晰地还原人类的鱼类祖先曾经的形态和史诗般的演化历程。
(中国科学院古脊椎动物与古人类研究所供稿)