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将您的CT扫描仪设置为“杀死”模式,并观察化石内部

强大的新成像设备穿透琥珀块和古老岩石,生成隐藏了数百万年的化石生物的3D图像。

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想了解更多令人惊叹的3D扫描技术,请查看我们的图片集:3D扫描:如何将真实世界导入您的电脑

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地球上丰富的生命史隐藏在视野之外——在一亿年前的琥珀块中,在土豆状的化石蛋中,以及在看似普通的古老牙齿中。更正:这些东西以前是看不见的。借用医学研究和工业工程的新成像工具正开始揭示进化论中最隐秘的一些秘密。“我以为我们永远无法在不破坏样本的情况下看到它们的内部,”哈佛大学人类学家Tanya Smith说。“我们能够进入像化石这样的物体,并虚拟地提取出一段时间的想法真是太棒了。”

这项突破依赖于计算机断层扫描,即大家熟知的CT扫描。它与医院用于给患者体内成像的熟悉过程非常相似,但其强度被放大到对人类来说是致命的水平。在该技术的一种版本中,扫描仪会创建类似急诊室拍摄的X射线图像,以检查大型化石并揭示内部隐藏的结构。更新的同步加速器扫描仪甚至能做得更好,它们能产生比标准X射线机产生的束强万亿倍的极其聚焦的光束,从而产生令人难以置信的高分辨率图像。然而,有两个限制:这种成像只适用于小样本,而且世界上只有大约50台同步加速器设备。

传统的医用X射线图像只能检测出四种密度(对应于脂肪、水、气体和骨骼),而CT扫描可以识别数百种密度水平,从而很容易将化石与其周围的岩石层区分开来。通过组合从多个角度拍摄的许多图像,CT扫描可以将二维图片转换为岩石内部物体精确的三维复制品——这使得科学家可以反复对稀有标本进行数字检查,而无需担心损坏。

以下页面上的图像捕捉了一些最新发现中最引人入胜的部分。

琥珀中的昆虫

《侏罗纪公园》

教会我们昆虫是如何被困在琥珀中并保存下来的。不幸的是,大多数琥珀不像银幕上的例子那样透明。这只一亿年前的黄蜂被困在不透明的琥珀中,直到欧洲同步辐射光源(ESRF)的研究人员通过虚拟方式将其“解救”出来。ESRF是一个宽达1000英尺的粒子加速器,可以产生强烈的X射线束。当ESRF的保罗·塔弗罗(Paul Tafforeau)扫描法国夏朗德地区类似的深色琥珀块时,他发现了数百只其他昆虫,包括化石甲虫、蚂蚁和苍蝇。他和他的同事们随后放大了其中一些生物,并使用3D打印机创建了塑料模型,使科学家能够详细检查这些生物。

迄今为止,对夏朗德琥珀的分析已揭示出600多种不同的昆虫——而且没有一种与现代物种相符。该项目的负责人塔弗罗在2002年作为该设施的研究生时,曾出于乐趣开始扫描死苍蝇。“每次扫描都是一次新发现,”塔弗罗说,然而这些古老的昆虫总体上与它们的现代同类惊人地相似;它们主要在细节上有所不同。“在大多数情况下,”塔弗罗说,“一亿年前的蚂蚁看起来就像今天的蚂蚁。”

象牙啄木鸟的飞行 并非所有分析的标本都是史前的。康奈尔大学的研究人员对这只象牙嘴啄木鸟的遗骸进行了CT扫描,以避免解剖它。这种啄木鸟被广泛认为在20世纪中期灭绝,但在2005年,一段模糊的视频浮出水面,激动的观鸟者声称视频中描绘了一只活着的象牙嘴啄木鸟在阿肯色州飞行,这引发了争议。许多科学家对此表示怀疑。为了帮助解决争论,康奈尔大学的生物学家将史密森尼学会(位于华盛顿特区)档案中唯一现存的完整保存的象牙嘴啄木鸟标本带到德克萨斯大学CT实验室进行成像。由此产生的鸟类翅膀三维渲染图,结合我们对其翅膀拍动频率的了解以及对其近亲(冠啄木鸟)的研究,使得平面设计师杰夫·王(Jeff Wang)能够将其数字化复活,以便与模糊的视频进行比较。关于这种(被推定)灭绝鸟类是否重新出现,目前仍无定论。

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蛋壳中的恐龙 这种被砂岩包裹的恐龙蛋内保存着一只角面恐龙,即新角龙(白垩纪时期漫游蒙古戈壁沙漠的普遍食草恐龙家族的一员)的第一个完整胚胎。由于蛋壳长度不到两英寸,骨骼脆弱,因此进行物理解剖风险太大。取而代之的是,纽约市美国自然历史博物馆的古生物学家艾米·巴拉诺夫(Amy Balanoff)在德克萨斯大学(UT)CT实验室扫描了嵌入的骨架,然后将胚胎骨骼从蛋中数字分离出来。扫描花费了三个多小时,产生了1296个数字横截面切片,每个切片厚度为千分之一英寸。为了区分胚胎和岩石,巴拉诺夫手动标记了每个切片中的每一点骨骼,以便最终可以将所有骨骼以三维形式重新组装起来。

“每块化石都不同,你很难知道它在扫描时的效果如何,直到你尝试过,”UT CT设施主任理查德·凯彻姆说,但这一块相对容易。这些扫描,结合来自附近其他遗骸的信息,表明蛋内的物种是Yamaceratops dorngobiensis——它是著名的、30英尺长的三角龙的近亲,但体型小得多,只有6英尺长。

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灵长类头骨内部 对于早期灵长类动物来说,完整的头骨极其罕见——但当我们发现它们时,它们总能填补我们人类家族树中长期寻求的细节。在这里的系列中,宾夕法尼亚州立大学的人类学家蒂姆·瑞安扫描了3500万年前灵长类属Rooneyia唯一完整头骨(事实上,是唯一已知的标本),作为一项关于内耳结构和运动进化的更广泛研究的一部分。通常,与移动较慢的同类相比,速度快的哺乳动物具有相对身体质量更大的、更稳定的半规管。“CT数据使我们能够在不破坏头骨的情况下获取其内部结构,”瑞安说。在这种情况下,这尤其令人痛苦,因为这个头骨是独一无二的。

在进行测量后,瑞安将Rooneyia的耳道与现代动物的耳道进行了比较,以确定它在生活中的移动方式。这项扫描显示,这种老鼠大小的灵长类动物R. viejaensis可能能够跳跃,并且以中等速度移动。

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