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科學(xué)家使用高精度三維打印技術(shù)探索4億年前脊椎動(dòng)物頜部演化

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科學(xué)家使用高精度三維打印技術(shù)探索4億年前脊椎動(dòng)物頜部演化

摘要: 　　頜的出現(xiàn)是脊椎動(dòng)物演化史上最重要的幾次飛躍之一，最早的有頜脊椎動(dòng)物是身披大塊膜質(zhì)骨片的盾皮魚類。過去曾經(jīng)認(rèn)為，盾皮魚類只是有頜脊椎動(dòng)物一個(gè)特化的旁支，已經(jīng)在距今3.65億年的泥盆紀(jì)末全部絕滅。但近年的 ...

　　頜的出現(xiàn)是脊椎動(dòng)物演化史上最重要的幾次飛躍之一，最早的有頜脊椎動(dòng)物是身披大塊膜質(zhì)骨片的盾皮魚類。過去曾經(jīng)認(rèn)為，盾皮魚類只是有頜脊椎動(dòng)物一個(gè)特化的旁支，已經(jīng)在距今3.65億年的泥盆紀(jì)末全部絕滅。但近年的一系列學(xué)習(xí)表明，所有其他有頜脊椎動(dòng)物類群均由盾皮魚類的一個(gè)早期支系演化而來。因此，盾皮魚下屬各支系的演化關(guān)系，以及盾皮魚類哪些身體特征代表有頜類的原始形態(tài)，哪些是其自身特化等等問題，就直接關(guān)系到包括人類在內(nèi)的現(xiàn)代有頜脊椎動(dòng)物身體構(gòu)造的起源，因而得到學(xué)界的重視。
　　解決這些問題的關(guān)鍵在于最大程度“榨取”化石中保存的解剖學(xué)信息。過去對(duì)真掌鰭魚、楊氏魚等早期魚類化石詳盡的經(jīng)典工作，長久地為脊椎動(dòng)物演化學(xué)習(xí)提供著重要資料�？墒牵芷~類化石與硬骨魚類不同，其內(nèi)骨骼系統(tǒng)主要由軟骨構(gòu)成，或者完全不骨化，或者只有脆弱而難以保存的周圍骨化（骨膜骨化）。因此，盾皮魚類化石往往只保存了外骨骼系統(tǒng)的膜質(zhì)骨片，且其發(fā)現(xiàn)集中在中、晚泥盆世已經(jīng)特化的屬種上，早期屬種的化石發(fā)現(xiàn)較少，保存狀況多不理想。
　　中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類學(xué)習(xí)所盧靜與澳大利亞國立大學(xué)博士加文·楊（Gavin Young）和博士生胡雨致聯(lián)合團(tuán)隊(duì)首次在化石魚類學(xué)習(xí)中應(yīng)用高精度三維打印技術(shù)對(duì)一件來自澳大利亞4億年前早泥盆世的精美盾皮魚類化石進(jìn)行了詳細(xì)學(xué)習(xí)，展示了其頜部罕見地保存完美的精細(xì)解剖結(jié)構(gòu)，為原始有頜脊椎動(dòng)物頜部演化學(xué)習(xí)提供了重要的新知。論文發(fā)表于8月10日出版的科學(xué)報(bào)告（Scientific Reports）上。
　　本次學(xué)習(xí)的標(biāo)本發(fā)現(xiàn)于澳大利亞首都堪培拉附近4億年前的早泥盆世地層中，是一件保存在鈣質(zhì)結(jié)核中，身體前半部近乎完整的化石，文中未正式命名。這件標(biāo)本雖只有乒乓球大小，但它屬于盾皮魚類中的節(jié)甲魚類之下的巴坎魚科（Buchanosteidae），是晚泥盆世稱霸水域的巨型掠食者鄧氏魚的祖先類型。身體形態(tài)與頜骨上銳利的齒突表明它應(yīng)是一種在水底附近活動(dòng)的小型捕食者。該標(biāo)本早在上世紀(jì)八十年代末就已被發(fā)現(xiàn)，但即使經(jīng)過耗時(shí)漫長的酸蝕修理，也只有表面可見的一局部解剖構(gòu)造得到揭示。并且，經(jīng)過酸處理的標(biāo)本變得非常脆弱，對(duì)其的詳細(xì)學(xué)習(xí)也因而長期擱置。
　　近年來新興的顯微CT、計(jì)算機(jī)重建和高精度三維打印等技術(shù)，方使對(duì)這件珍貴且脆弱標(biāo)本的詳細(xì)學(xué)習(xí)成為可能。其中高精度三維打印技術(shù)還是首次應(yīng)用在相關(guān)學(xué)習(xí)中，它能以任意尺寸，任意數(shù)量，將計(jì)算機(jī)重建過程中虛擬解剖得到的精細(xì)結(jié)構(gòu)復(fù)原為可方便地反復(fù)觸摸、操控、比較的實(shí)體，使學(xué)習(xí)者可以像解剖現(xiàn)代生物標(biāo)本一樣，對(duì)滅絕生物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的拼合復(fù)原與對(duì)比學(xué)習(xí)。
　　在早期脊椎動(dòng)物中，構(gòu)造復(fù)雜的頭骨由幾大區(qū)分明顯的單元組成，頭的頂部是覆蓋著膜質(zhì)骨顱頂甲的，由軟骨或骨化軟骨構(gòu)成的腦顱，上下頜、鰓弓和鰓蓋等單元?jiǎng)t往往只是松散地懸掛在腦顱下方，因此在大多數(shù)化石中，這些單元要么沒有保存，要么分散、變形，或大大移位。但在這件化石中，這些單元不僅得到完好保存，并且除稍有移位外，基本保持了其生活時(shí)的位置，使得學(xué)習(xí)者能夠復(fù)原精細(xì)關(guān)節(jié)面的對(duì)應(yīng)關(guān)系、上下頜的活動(dòng)范圍，以及各神經(jīng)和血管在頜和頰部的通路等。學(xué)習(xí)還更新了對(duì)該類群許多重要結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識(shí)，如上頜與腦顱的懸掛關(guān)節(jié)點(diǎn)，上下頜關(guān)節(jié)面的位置，將鰓蓋連接到腦顱的鰓蓋軟骨與舌弓軟骨的同源關(guān)系等，提供了在其他盾皮魚類化石中還沒有見到過的確切資料。
　　文章還嘗試將該屬種的頜部結(jié)構(gòu)與硬骨魚類的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的比較。近年來在我國云南的志留系中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的盾皮魚類群，即全頜盾皮魚類，該類群展現(xiàn)了典型的盾皮魚類身體和典型硬骨魚的頜部特征，從而很大程度上填補(bǔ)了兩大類群之間的形態(tài)鴻溝。在這些新知的基礎(chǔ)之上，涵蓋更多的學(xué)習(xí)對(duì)象，進(jìn)一步開展精細(xì)的比較解剖學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育分析，無疑將繼續(xù)大大推動(dòng)對(duì)脊椎動(dòng)物頜部演化，乃至整個(gè)早期脊椎動(dòng)物演化關(guān)系的學(xué)習(xí)。
　　此項(xiàng)學(xué)習(xí)得到國家自然科學(xué)基金和澳大利亞學(xué)習(xí)理事會(huì)資助。



　　圖：澳大利亞早泥盆世盾皮魚類巴坎魚科新材料（ANU V244）。a， Drishti三維重建化石右側(cè)視；b-d， 高精度三維打印模型（b，腹視；c，頜部與腦顱相連前端部分放大；d，頜部內(nèi)視）。三維打印模型為原化石六倍大。（盧靜供圖）科學(xué)家使用高精度三維打印技術(shù)探索4億年前脊椎動(dòng)物頜部演化  |  責(zé)任編輯：蟲子
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