作者:晋楠 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/9/6 16:09:21
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新三维扫描运动将揭示2万个动物惊人细节

1.注射了碘酒的青蛙呈现出的肌肉、腺体、神经系统、卵子、寄生虫等等。

图片来源:EDWARD L. STANLEY, DAVID C. BLACKBURN

2.墨西哥念珠蜥蜴(Heloderma horridum)的断层扫描。

图片来源:EDWARD L. STANLEY, DAVID C. BLACKBURN

3.产于南美洲的水虎鱼(Serrasalmus medinai)的CT扫描。

图片来源:ADAM SUMMERS, MATTHEW KOLMAN

4.露脊鲸(Balaena mysticetus)CT扫描。

图片来源:ALAN GLOWCZWSKI, DANIEL HILLMANN

 

“鱼人”,这是Adam Summers的绰号,他对鱼的一个不寻常的爱好最终变成了学术上的痴迷:给死掉的鱼做计算机断层摄影,或称CT扫描。这位来自美国华盛顿州圣胡安岛星期五港湾实验室的生物力学扫描体内存有血液的鱼类收藏家已达20年。为了创建鱼类详细的三维透视图以及研究它们内部结构的复杂性,他表示:“一开始我甚至会用士力架巧克力棒作为交换,进行CT扫描。”无论何时,当他把完美呈现的骨架透视图传到网上,鱼类爱好者同行都会迫切地追问下一个会是什么。Summers会半开玩笑地回答:“别担心,它们一个个都会成为下一个。我要扫描所有鱼类。”

“扫描所有脊椎动物”去年,盖恩斯维尔佛罗里达自然历史博物馆爬虫学者David Blackburn看到了Summers在推特网上的“扫描所有鱼类”的主题标签,便表示他要“扫描所有的青蛙”。彼时,Blackburn与该博物馆馆长聊天时刚谈到开始新的数字化工作,所以他给Summers打了电话。他们决定下个赌注,并筹集资金“扫描所有脊椎动物”。现在,他们手里已经有了美国国家科学基金会资助的250万美元,9月1日,他们启动了自己的项目:oVert,即“脊椎动物多样性三维开放探索”项目。很多科学家将其称作“扫描所有脊椎动物”项目。

未来4年,Blackburn将带领一个项目,对两万多个脊椎动物标本——代表了来自美国16个博物馆和高校收藏的80%种属——进行CT扫描。oVert还会选出其中的1000个(代表大多数脊椎动物家谱)将其浸入到碘酒染料中,这会增强软组织的对比,让研究人员看到肌肉、循环系统、大脑以及更多。

结果形成的三维透视图将会被上传到一个已有的数据库MorphoSource中,该数据库由北卡罗来纳州达勒姆杜克大学进化人类学家Doug Boyer创建。在那里,它们将可供比较解剖学、进化学、发育生物学和生物模仿学等领域的研究获取。“我们的愿景是将标本从架子上拿下来,尽可能地使其到达每个人的手中,并进入到大规模研究问题的背景中。”Blackburn说。

研究人员很快将会“对所有脊椎动物物种唾手可得……这将会立即派上用场。”布朗大学研究脊椎动物形态学的Beth Brainerd说。

对动物生活方式的一瞥

2015年,当实验室获得自己的CT扫描仪之后,Summers的兴趣爱好变成了一件严肃的事。他偶然发现一种简单方法可以加速产出。通过将每条鱼包裹在一个浸透了酒精的粗棉布中阻止其变干,然后将它们堆叠到他称之为“墨西哥鱼卷”的地方,他一次性可以扫描很多标本。到目前为止,他已经扫描了4500多个标本,包括2400个不同的物种。

来自Summers实验室的鱼类CT扫描已经在帮助其他研究。为设计一个水下探索高能效机器人,马萨诸塞州塔夫茨大学的Cassandra Donatelli正在利用这些三维模型模仿长而纤细的鱼类的关节和运动。德国波恩大学神经解剖学家Michael Hofmann正在开始一项有关鱼类内耳的对比研究,以了解它们的听力以及定向能力。今年4月,oVert参与者、得州农工大学鱼类博物馆馆长Kevin Conway基于一项扫描描述了一个新喉盘鱼科鱼的新物种,该扫描展示了近2000个像牙刷刷毛一样的小牙。

“每一次,我几乎都会对扫描结果感到吃惊,因为总会了解到新的东西。”Summers实验室博士后Matthew Kolmann说,他的水虎鱼CT扫描表明这种鱼类会在彼此的骨骼上留下针孔咬痕。Blackburn将这些发现称作是“自然历史副渔获物”,是对动物生活方式的偶然一瞥。

Blackburn补充说,扫描对于研究仅拥有一个或两个标本的罕见器官解剖是尤其强有力的工具,因为“没有人能把这些东西分开”。扫描还会揭示一些生物的饮食习性,Blackburn还发现胃里存在蚂蚁、螃蟹,甚至是另一只青蛙的青蛙。

打开了解脊椎动物新的大门

对于oVert来说,已经拥有CT扫描仪的6个高校将扫描他们自己的标本以及来自其他10家机构的标本。oVert旨在发现内部完好无损的、保留着血液的标本,这对于爬行动物、两栖动物和鱼类非常常见。

Conway将负责扫描所有动物,尤其是大型动物,其中包括约500个两米长、重250公斤的标本。体积过于庞大的鱼类将采用其幼鱼或胎儿。过去,该团队曾扫描过雀鳝、鳗鱼、一个露脊鲸的胎儿,甚至还包括一个体长2.5米的大眼鲷沙虎鲨(这个大块头已经完全超过了扫描的容积)。

由于所有标本将来自博物馆收藏,一些已经非常古老,他们的外形已经变化。但其内部结构将会被保存下来,碘染色将会在选择的标准中进一步突出它们。除此之外,威明顿市北卡罗莱纳大学神经解剖学家、该项目顾问Kara Yopak预测,oVert将为了解难以找到的物种的大脑进化“打开新的大门”。

教育和扩大服务范围将是oVert的主要目标之一。佛罗里达自然历史博物馆古脊椎动物馆长 Bruce McFadden非常渴望将三维模型用于中小学教育。此前,他曾与科学和美术老师合作,基于对史前鲨鱼牙齿的CT扫描,帮助一群中学女生重建其真实大小的下颌。

Boyer对于探索数千个脊椎动物物种的形体和解剖学特征的前景非常兴奋。“以前,我们认为自己知道的所有解剖学进化知识都丢到窗外去吧!”他说,“这次将会是如此不同的规模,我们要带着新的眼光深入其中。”(晋楠编译)

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