白堊紀鳥類化石:研究人員使用3D技術揭示喙的發育

由俄亥俄大學(OU)骨科醫學大學傳統學院教授領導的國際研究團隊宣佈,從馬達加斯加發現了晚白堊紀烏鴉大小的幹鳥,喙長而深,這在中生代鳥類中是未知的並且從表面上類似於巨嘴鳥等現代鳥類。新鳥Falcatakely的重建突出了面部和喙形的進化變化。為了弄清幹鳥的解剖結構,研究人員使用了高解析度微計算機斷層掃描(microCT)和廣泛的數字建模技術,從嵌入的岩石中解剖出了各個骨骼,並透過數字模型的3D列印進行了放大以重建頭骨並與其他物種進行比較。

該標本位於馬達加斯加西北部,屬於一種滅絕的鳥類,被稱為“對映鳥氨酸”,生存了超過6600萬年,這可追溯到白堊紀末期。根據發表在《自然》雜誌上的一篇新論文中的描述,這一發現對於完善與早起鳥類的形態進化和多樣化有關的假設至關重要,由於缺乏新的化石發現,該發現相對來說還不完整。

白堊紀鳥類化石:研究人員使用3D技術揭示喙的發育

古生物學家馬克·威頓(Mark Witton)的作品捕捉了Falcatakely的生物學和環境以及其microCT解剖的過程。

在整個非洲黑人-馬達加斯加白堊紀時期,鮮為人知的鳥類很少。據俄亥俄大學新聞報道,鳥類骨骼由於其骨骼輕巧,體積小而在化石記錄中很少見,而鳥類頭骨則更為罕見。Falcatakely是國家科學基金會資助的團隊在馬達加斯加發現的第二個白堊紀鳥類物種,在研究中指出,這一最新標本擴大了對映鳥氨酸進化和整個中生代鳥類中已實現的顱形差異的知識。

OU的解剖學和神經科學教授,該研究的主要作者O‘Connor說:“當面孔開始從岩石中露出來時,我們知道它是非常特別的東西,即使不是完全獨特的。” “具有如此高,長臉的中生代鳥類是完全未知的,Falcatakely提供了一個很好的機會來重新考慮有關導致現代鳥類的血統中頭部和喙進化的想法。”

白堊紀鳥類化石:研究人員使用3D技術揭示喙的發育

研究合著者Joseph Groenke(左)和Patrick O’Connor博士(右)。

由於組成頭骨的輕巧骨骼的複雜排列,精緻的標本仍部分嵌入岩石中。儘管非常小-估計頭骨長只有8。5 cm-獨特的儲存揭示了喙的許多重要細節和獨特的發展,例如在骨頭上的一系列複雜的凹槽構成了臉的側面,表明該動物具有生活中廣闊的角蛋白覆蓋物或喙。

由於O‘Connor和他的同事無法從岩石中取出Falcatakely的單個骨頭進行研究,因此研究團隊使用microCT掃描和數字重建技術對標本進行了生命重建。紐約的石溪大學 放射學系進行了初步的掃描,隨後在OU愛迪生生物技術研究所使用了microCT掃描器。為了便於研究和重建標本,一些多邊形檔案被匯出為STL檔案,並使用位於OU創新中心的Stratasys Objet350 Connex 3D原型機以其自然大小的三倍進行列印。

負責3D列印過程的實驗室主任Misako Hata負責監督生物技術研究與開發機構和3D印表機實驗室的運營,並在3D列印方面擁有豐富的經驗。

OU Heritage骨科醫學學院的研究合著者和實驗室協調員Joseph Groenke說:“這樣的專案在比較解剖學,古生物學和工程/材料科學等學科之間架起了橋樑。我們與俄亥俄州大學創新中心的合作關係是該過程的關鍵部分。能夠將每根骨頭看作原型複製品,是理解標本和重建標本的基礎。”

隨著研究的進展,專家們很快就意識到,構成Falcatakely面部的骨骼的組織結構與任何恐龍,鳥類或非禽類的骨骼完全不同,儘管其表面與當今活著的幾個現代鳥類群相似。奧康納(O’Connor)描述,獵鷹一般可能與任何數量的現代鳥類相似,但面板和喙都在適當的位置,但其潛在的面部骨骼結構卻與科學家對鳥類進化解剖學的瞭解相違背。

使用microCT生成的Falcatakely重建顯示了幾乎完整的右淚。數字化重建的味蕾展現出中生代早期鳥類通常無法觀察到的大量細節。石溪大學的研究合著者兼解剖學副教授艾倫·特納(Alan Turner)指出,滅絕的對映鳥鳥群,其中Falcatakely屬於,代表了早起的鳥類的第一個偉大的多樣化,與非鳥類親屬(如霸王龍和迅猛龍(一種土耳其大小的羽毛獸腳類,不同於侏羅紀公園的猛禽版本))一起佔據了生態系統。特納指出:“與最早的鳥類(如始祖鳥)相比,長尾巴和頭骨具有原始特徵,對映鳥氨酸(如Falcatakely)看上去相對較現代。”

“我們對現在的馬達加斯加白堊紀時代的動物,植物和生態系統瞭解得越多,就越能看到其獨特的生物特徵可以追溯到過去,不僅反映了近代島嶼生態系統,”他說。奧康納。“ Falcatakely的發現突顯了地球的許多深厚歷史仍然籠罩在神秘之中,尤其是在地球上相對較少被探索的那些部分。”

白堊紀鳥類化石:研究人員使用3D技術揭示喙的發育

晚白堊世對映鳥氨酸鳥Falcatakely的藝術家重建。

多年以來,古生物學家一直在轉向3D掃描和3D列印數字重建技術,以透過複製,重建和研究化石與功能形態來推進其研究。早期的研究人員使用鑄模和鑄模與其他研究人員和公眾共享化石複製品。如今,專家可以透過將掃描轉換為3D列印結構來使虛擬檔案有形。

例如,荷蘭的保育人員正在使用3D印表機建立可以填補恐龍頭骨(著名的三角恐龍頭骨21號)最終空隙的碎片,耶魯大學的皮博迪自然歷史博物館將其出售給了1950年代代爾夫特大學地質博物館;或加拿大皇家泰瑞爾博物館的古生物學家,他們使用3D列印來複制易碎的化石,從而使我們對過去地質學的研究更接近於看起來的樣子。