作者:宗华 来源:中国科学报 发布时间:2018/4/24 8:40:12
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当真蟾蜍遇到假蛤蟆
3D打印助力生物学野外研究

 

图片来源:ALEX MUSTARD

当第一场雨到达哥斯达黎加西北部的森林时,上百只黄色蟾蜍在此聚集,度过一个紧张而短暂的繁殖季节。不过,今年将有一小部分被称为“机器人蟾蜍”的入侵者加入它们的行列。这些机械化的两栖动物——在实验室中通过3D打印获得——或许有助于揭示真正的蟾蜍不同寻常的求偶仪式背后的秘密。而这只是3D打印动物开始揭示的诸多秘密之一。

“3D打印正在真正提出我们作为野外生物学家所能问的问题。”10年来一直和Stéphanie Doucet研究蟾蜍的Daniel Mennill表示。两人均是加拿大温莎大学行为生态学家。

若干年前,这对夫妇发现,在繁殖季节(持续不到1天),雄性蟾蜍会改变颜色,从正常的暗棕色变为引人注目的柠檬黄。利用手工制作的黏土模型,他们阐明了个中原因:向黄色的短暂转变帮助雄性蟾蜍辨别出仍保持棕色的雌性。但如今,该团队想弄清楚雌性蟾蜍如何在颜色类似的雄性中间作出选择。这是一项利用原始黏土模型很难完成的任务。

让“机器人蟾蜍”进入。这些“蟾蜍”由Mennill和Doucet的研究生Lincoln Savi创建。在计算机软件的帮助下,从一些照片上被扫描进来后,它们被精心雕刻成非常恰当的形状和纹理。Savi 3D打印了若干副本并将它们涂成雄性蟾蜍的样子,其中一些是亮黄色的,还有一些是暗黄绿色的。发动机使这些模型随机地四处移动,从而产生它们是活体生物的假象。在“机器人蟾蜍”的助力下,该团队不再需要雕刻单独的黏土模型,或者奋力为它们涂上研究所需的精确颜色。

当降雨开始时,该团队会设置一个含有两只颜色深浅不同的3D打印雄性蟾蜍的区域,并且观察野生雌性蟾蜍会选择哪一只。短暂的繁殖窗口意味着时间很紧张。Mennill介绍说,该团队已经到了哥斯达黎加的野外。“坐在那里盯着天空,然后等待第一场降雨的到来。”

而在加拿大,卡尔顿大学生物学家Grégory Bulté正利用3D打印回答一个困扰了他十多年的问题。Bulté研究的是北部地图龟。这种龟雌性的身长可达雄性的两倍。Bulté想知道,雄性龟是否可能被体型较大的雄性吸引。但这种乌龟易受惊吓的特质以及在湖底交配的事实,使对它们的观察变得非常棘手。

Bulté团队打印了两个除大小外其他所有方面都相同的雌性龟3D模型,并将它们放置在湖床上相隔1米的地方。同时,他们支起摄像机,以记录野生雄性龟作出何种反应。正如预测的那样,雄性龟试图更加频繁地同较大模型交配。研究人员在日前出版的《动物行为》杂志上报告了这一发现。Bulté表示,在此类研究中利用活体动物会引入一系列很难控制的其他变量。例如,其中一只动物可能同雄性存在“血缘”关系,而这会影响他的选择。相反,3D打印“几乎是一个理想的系统”。同时,多个副本可被相对廉价地打印出来。这与过去的时代有很大差别。以前,研究团队需要艺术家或者剥制师创建每个单独的模型。

美国伊利诺伊大学香槟厄巴纳分校鸟类学家Mark Hauber认为,3D打印正在使科学家得以在更加精细的尺度上创建模型。Hauber研究一种被称为孵育寄生的行为,即鸟类在其他物种的巢穴中生蛋并且使不知情的“养父母”抚养它们的后代。此前,研究人员通过将寄生虫卵的石膏和木材模型放到巢穴中研究宿主鸟类的反应。不过,利用3D打印,Hauber团队创建了看上去更加真实的燕八哥蛋。这使其团队得以分析大小仅有几毫米之差的变动是否影响旅鸫将寄生虫卵扔出巢穴的决定。

Hauber表示,利用这些新的模型还意味着人们能简单地复制试验。他让鸟蛋的数字模型可在网上免费获取,因此任何人都能打印自己的副本并且重复此项研究。

不过,利用3D打印的研究组仍旧很少。研究捕食者如何对入侵蜥蜴作出反应的天普大学生态学家Jocelyn Behm表示,这或许是因为初学者有惧怕心理。Behm并未将活的外来物种带入生态系统,而是利用了3D打印模型。为帮助其他研究人员,Behm上个月在预印本服务器bioRxiv上分享了自身经历。“我以前真的以为3D打印很难,然而一旦学会了它,便意识到并没有那么难。”Behm说。Bulté则表示,利用该技术的关键是合作。“如果人们不相互交流,那么他们可能认为该技术很难理解,但事实并非如此。”(宗华编译)

《中国科学报》 (2018-04-24 第3版 国际)
 
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