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琥珀恐龍化石標(biāo)本——小恐龍尾巴的三維重現(xiàn) |
本報(bào)記者 劉歡
一段毛茸茸的非鳥虛骨龍類恐龍的尾骨被完好保存在晶瑩剔透的琥珀之中。這則消息震驚了國(guó)內(nèi)外科技圈，因?yàn)檫@是人類有史以來發(fā)現(xiàn)的第一塊藏在琥珀里的恐龍標(biāo)本。那么，科學(xué)家又是如何斷定尾巴的主人是恐龍而非松鼠或鳥類呢？昨天中國(guó)科學(xué)院高能物理所專家道出玄機(jī)：原來，他們成功利用神奇的“X光眼”——同步輻射硬X射線相位襯度CT等技術(shù)，從琥珀中分離出小恐龍尾巴的立體影像，進(jìn)而確定了它的身份。
中國(guó)博士淘來神秘琥珀
說起來，這個(gè)小尾巴背后還有段有趣的故事。
2015年的夏天，一位搞地質(zhì)研究的中國(guó)博士在琥珀商那里看到了一塊琥珀。琥珀商說這里面有棵植物模樣的怪東西。
博士拿起來看了看，琥珀里果然有棵黑乎乎、毛茸茸的東西，像個(gè)掃帚菜。到底是搞地質(zhì)專業(yè)的，博士又仔細(xì)觀察了一下這個(gè)怪東西的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)東西帶有羽枝和羽軸的羽毛結(jié)構(gòu)，心下斷定：這肯定是個(gè)動(dòng)物啊。
當(dāng)然，買下這塊琥珀時(shí)，這位博士其實(shí)也拿不準(zhǔn)這個(gè)標(biāo)本究竟來自什么動(dòng)物。
很快，一支由中、加、英、美等國(guó)科學(xué)家組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)采取了多種高科技的無損成像和分析手段來研究這個(gè)標(biāo)本。
記者了解到，這次發(fā)現(xiàn)的琥珀化石來自緬甸克欽邦胡康河谷，其歷史約9900萬年，屬于白堊紀(jì)中期。但化石埋藏在琥珀內(nèi)部且覆蓋著厚實(shí)的毛，可見光成像是無法直接看到化石中的骨骼部分的，而普通X光機(jī)微CT的成像基于吸收襯度，密度靈敏度低，所獲圖像的襯度也不夠高，能分辨出來的細(xì)節(jié)太少。
三維圖揭秘琥珀中生物
如此珍貴的化石，斷不能用開膛破肚的方法來研究。那么研究團(tuán)隊(duì)究竟用什么辦法才能撥開尾骨化石上厚實(shí)的毛，進(jìn)而看到骨骼來辨識(shí)身份呢？
這就不得不提到科學(xué)研究用到的同步輻射裝置。
這項(xiàng)研究是由中國(guó)科學(xué)院高能物理所的研究人員與古生物學(xué)家合作，利用北京同步輻射裝置的硬X射線相位襯度CT、X射線熒光成像和X射線吸收譜等，提取出多種有價(jià)值的信息，無損獲取了該化石多尺度分辨的高質(zhì)量投影圖像，再經(jīng)過對(duì)投影圖像的斷層重建、分段拼接等技術(shù)，最終得到了被毛和琥珀包圍著的化石的高清3D圖像，揭示出化石內(nèi)部的3D形態(tài)特征。
通過三維形態(tài)圖， 研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，該化石明顯區(qū)別于典型的古鳥類，骨骼形態(tài)與典型的非鳥虛骨龍類恐龍類似，如腹側(cè)有明顯的溝槽結(jié)構(gòu)等。至此，“掃帚菜”的身份最終被確定下來——是非鳥虛骨龍類恐龍的一段尾骨，且包括至少9段尾椎。小恐龍的尾巴完全展開約6厘米，推測(cè)這只小恐龍的全長(zhǎng)大約18.5厘米。這是人類有史以來發(fā)現(xiàn)的第一塊埋藏在琥珀中的恐龍標(biāo)本，其珍貴程度可想而知。
“小尾巴”隱藏大量微量元素
研究團(tuán)隊(duì)還利用X射線熒光成像方法獲得了尾椎化石的微量元素分布圖，并發(fā)現(xiàn)其中鐵、錳、鈦、鍺等元素的分布與化石的形態(tài)高度吻合，蘊(yùn)含著豐富的埋藏學(xué)信息。在對(duì)鐵元素所做的分析表明，其中80％以上的鐵原子為二價(jià)，這應(yīng)該是血紅蛋白和鐵蛋白的遺跡。
可以說，在這次發(fā)現(xiàn)中，來自中科院的兩臺(tái)同步輻射裝置起到了非常重要的作用，并且有理由相信，隨著近幾年我國(guó)同步輻射裝置的進(jìn)步，在國(guó)內(nèi)的同步輻射裝置上可以做出的世界水平的科學(xué)發(fā)現(xiàn)將會(huì)越來越多。
專家指出，恐龍最早的出現(xiàn)距今約有2.35億年，滅亡于約6500萬年前。雖然那個(gè)時(shí)代離我們很遙遠(yuǎn)，但是恐龍化石記錄了它們生存以及滅絕的秘密，成為人們研究遙遠(yuǎn)古代生物進(jìn)化和氣候變遷的可靠依據(jù)。
答疑解惑
什么是X射線相位襯度成像？
襯度，指的是圖像上不同區(qū)域間存在的明暗程度的差異，也正是因?yàn)榇嬖谝r度，人眼才能看到各種具體的圖像，襯度太低就無法看清圖像中的細(xì)節(jié)。
由于被照射物體中各個(gè)不同的構(gòu)成部分對(duì)X射線的吸收不同，形成吸收襯度圖像。重元素構(gòu)成樣品對(duì)X射線的吸收強(qiáng)，可以獲得清晰的吸收襯度圖像，而輕元素構(gòu)成樣品（例如生物軟組織）對(duì)X射線的吸收弱，只能獲得模糊的吸收襯度圖像。
光線在經(jīng)過物體時(shí)，不僅被吸收，而且被折射，樣品邊緣和內(nèi)部界面的折射會(huì)改變局部光強(qiáng)分布，形成相位襯度圖像。雖然輕元素對(duì)X射線的吸收弱，但是其對(duì)X射線的折射卻比較強(qiáng)，因而X射線相位襯度成像特別適合對(duì)琥珀化石、生物軟組織等輕元素構(gòu)成樣品進(jìn)行成像?；谳p元素對(duì)X射線吸收弱、折射強(qiáng)的原理，X射線相位襯度成像能以比傳統(tǒng)吸收襯度成像高得多的靈敏度對(duì)輕元素構(gòu)成樣品進(jìn)行成像。這種近年來才發(fā)展起來的新型成像方法正在迅速地推廣應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、材料、能源等眾多學(xué)科領(lǐng)域，為科學(xué)研究、疾病診斷、材料合成等提供強(qiáng)有力的表征手段。
什么是X射線斷層成像？
一般X射線的影像只是被照射物不同結(jié)構(gòu)前后相互重疊的一個(gè)二維投影像，被照射物內(nèi)部的各種信息沿X射線傳播方向疊加在一起，無法獲得被照射物內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)。
為了真實(shí)地再現(xiàn)物體內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)，科學(xué)家發(fā)明了X射線斷層成像（簡(jiǎn)稱CT）的方法，即通過X射線旋轉(zhuǎn)照射物體，探測(cè)器采集各個(gè)方向的投影圖像，根據(jù)被照射物體不同成分對(duì)X射線吸收和折射的不同，可用計(jì)算機(jī)處理各個(gè)方向的投影圖像，重建物體內(nèi)部多個(gè)斷層面影像，將斷層影像按順序?qū)訉佣询B即可形成被照射物體的立體影像。把X射線相位襯度成像原理與CT斷層成像技術(shù)相結(jié)合，就形成了可以觀察輕元素構(gòu)成樣品內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的X射線相位襯度CT技術(shù)。
高能所科研人員將X射線相位襯度CT技術(shù)用于琥珀恐龍化石標(biāo)本的三維成像，在完全避免物理損壞的條件下，從琥珀中分離出小恐龍尾巴的立體影像，為國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)分析研究琥珀中的小恐龍尾巴提供了可能。
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