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新的 X 射线扫描技术如何揭示古代动物的秘密生活

2021-07-21 17:20     同步加速器X射线

 
长期以来,我们一直被认为是对一堆不相关的死亡事物的研究,现在我们看到了古生物学,即灭绝生命的科学发生了根本性的转变。

但是使用统计方法来分析大数据,以及对化石进行常规 CT 扫描以揭示其微小的微观结构,开辟了全新的研究领域,包括哺乳动物如何成为现代世界的温血产奶者。

多亏了新技术和大数据处理,灭绝生命的知识已经从以前用笔、纸和敏锐的眼睛所限制的边界爆炸了。它们揭示了定义我们星球的动物的起源,提供了用于从医学到保护和减缓气候变化等方方面面的结果。

其中许多方法正在英国的化石上进行部署——例如我在斯凯岛研究的那些——有助于全面修订我们对主要生物群进化的理解,包括我们自己的谱系。

使用 X 射线 CT 扫描(计算机断层扫描)是现代古生物学中无处不在的一部分。这对于脊椎动物尤其如此,但它可用于研究无脊椎动物、植物和岩石本身。

手动薄片是科学中一种历史悠久的分析工具,它是通过将材料切割得如此精细以至于光线可以穿过它们而产生的。CT 提供的优势是有机会在不损坏化石的情况下观察化石的结构。

CT 扫描的工作原理是辐射密度:电磁频谱的一部分比其他材料更容易通过某些材料。不允许电磁辐射穿过它们的材料是辐射密集的,那些允许辐射的材料是射线可透的。

对于我们大多数人来说,我们第一次,也许是唯一一次接触 CT 是医学上的。例如,在断骨的传统 X 射线图像中,您将骨骼视为平面的二维投影。它非常有用,但只能告诉你这么多。CT 扫描通过捕获多个单独的投影(如不同角度的照片),然后应用算法在 x、y 和 z 轴上以数字方式重建整个对象,从而获得 3D 图像。

1971 年的第一次 CT 扫描拍摄了 180 张单独的图像,每张需要 5 分钟,重建需要两个半小时。如今,古生物学家获得的大多数 CT 扫描只需不到一个小时即可完成——有时只需几分钟。它取决于被扫描材料的​​大小和性质。

扫描仪现在是如此普遍,以至于它是一种相对简单、廉价的方法,允许将化石解剖结构的壮观数字动画用于科学以及公众宣传。

科学领域有一个新的孩子,越来越多地被用作古生物学家工具包的一部分。这称为同步加速器扫描。

同步加速器扫描是 CT 发挥到极致,可视化的超级英雄。由于同步加速器 X 射线的强度,使用传统 CT 难以区分的材料可以更容易辨别,同步加速器 X 射线能够更好地穿过材料并更快地产生结果。这些 X 射线已经从以接近光速的速度放大的电子剥离,使用磁铁将它们引导到称为光束线的管子中,在那里它们击中目标:化石标本。

这种形式的扫描用于从理解酶的结构到找出重新冷冻的冰淇淋味道不好的原因(这是冰晶的形状)。同步加速器还提供了前所未有的化石生物新数据,包括我研究的哺乳动物。

我们中的许多人都听说过 CT 扫描,这是一种 X 射线扫描,它拍摄多张照片以数字方式构建该区域的三维图像 © Getty Images

在攻读博士学位期间,我开始研究 1970 年代在苏格兰斯凯岛发现的侏罗纪哺乳动物的骨骼。尽管极为罕见,但它们之前从未被研究过,在博物馆的储物箱中保存了 40 多年。我的第一个任务是获取它们微小骨骼的扫描图。这些动物一生只有手掌那么长,它们的火柴棍骨架仍然包裹在坚硬的石灰岩中,使用传统技术(例如将岩石溶解在酸中)无法轻易去除这些石灰岩。

但是在苏格兰和英格兰的机构使用常规 CT 进行三次扫描尝试失败后,我的选择已经不多了。包含化石的块太大,那些扫描仪的功能不足以穿透它们。如果没有详细的图像,我将无法重建骨骼或研究它们的娇小解剖结构。

最后,我将这些化石带到了位于格勒诺布尔的欧洲同步加速器辐射设施,在那里我与一位专家合作,获得了成功的扫描结果。尽管采用了未来派技术,我们还是将斯凯化石放入由小块聚苯乙烯泡沫塑料盒制成的摇篮中,用胶带将它们固定,然后将它们粘在双面胶带床上的扫描平台上。就像蓝彼得做物理一样。标本后面的探测器面板收集 X 射线通过时投射的阴影图案,将它们发送到计算机进行编织。

通过这种方式,我们对它们进行了内外三个维度的成像。以 6 微米的分辨率扫描最重要的化石需要 10 个小时——即千分之六毫米,足以完成这项工作。

同步加速器在传统 CT 失败的地方取得了成功,节省了古生物学的一天,但我们如何处理我们产生的数据?扫描数据最明显的用途是简单地重建骨骼和其他结构。

2018 年,我使用 CT 数据检查了比小扁豆还小的哺乳动物耳骨化石或岩骨。耳骨在哺乳动物进化中很重要,因为它们具有非凡的听力能力。从蝙蝠的最高回声定位,到大象和蓝鲸的深腹部隆隆声。要了解这个音频范围是如何演变的,我们需要随着时间的推移观察耳朵结构。

我不仅能够重建这块侏罗纪的耳骨,还能追踪穿过它的神经和血管的通路。这揭示了软组织如何在生活在 1.66 亿年前的动物的功能耳朵中工作,提供了另一块发育难题。

同步加速器扫描揭示的惊人细节意味着我们可以更深入地观察旧牙齿和骨骼。分辨率更高,这使研究人员能够以惊人的细节研究微小的物体。

在过去的几年里,我的同事Elis Newham一直在与一个团队合作,研究古代哺乳动物牙齿中的年轮,以了解它们的寿命。这些年轮由一种叫做牙骨质的物质形成,每年都会以生长和停止的模式矿化,就像在树干中一样。它们已被考古学家用来研究古代人类,但纽汉和他的团队将它们计入了最早的哺乳动物——像摩根古龙这样的动物,这是一种来自威尔士晚三叠世的小鼠大小的祖先。


2 亿年前的化石摩根齿根牙根的同步加速器扫描 © Elis Newham

Newhams 的团队发现,最早的哺乳动物生活了十多年,按照小型哺乳动物的标准,它们是名副其实的古人。Little Morganucodon 本可以庆祝它的 14 岁生日派对,对于大多数相似比例的现代哺乳动物来说,这是一个无法实现的里程碑。只有在现代血统的第一批成员中,寿命才显着缩短到几年。

这一发现可能暗示了重大进化变化的时间。最早的哺乳动物可能仍在产卵,它们的长寿命表明,与今天的大多数哺乳动物相比,它们的生长速度更慢,体温也略低。

侏罗纪寿命的缩短可能与新陈代谢和静息体温升高有关。变得“热血”。纽汉和我现在正在对来自苏格兰的化石使用这种技术,看看他们的小咬牙切齿中可能藏着什么秘密。

所以,如果你的脑海中仍然有印第安纳琼斯或侏罗纪公园古生物学家的照片,那你就大错特错了。

忘记鞭子和枪,真正的古生物学家随身携带的是他们的笔记本电脑。他们可能偶尔需要一顶帽子来进行实地考察,但大多数人会更好地投资于舒适的办公椅,因为他们将在高端电脑前度过大部分时间。他们像我们大多数人写短信一样输入代码,像普通人抢外卖咖啡一样获取 CT 扫描。

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