3D掃描儀

·         Artec Space Spider

挑戰：兩位研究員打算開(kāi)展一項重大項目，專(zhuān)注研究現已滅絕的袋狼。但是，要想展開(kāi)精準的研究，他們必須找到一種輕松、無(wú)創(chuàng )的數字捕獲方式，為幾十種不同物種、幾百只動(dòng)物頭骨完成亞毫米級三維掃描。

解決方案：Artec Space Spider, Artec Studio, Geomagic Studio

效果：帶上輕便的Artec Space Spider，兩位研究員走訪(fǎng)了全球各地的博物館。每份標本只需幾分鐘的時(shí)間，即可完成掃描，不用接觸，沒(méi)有損壞風(fēng)險。通過(guò)這種方式，他們掃描了57種食肉動(dòng)物，共計223份頭骨，從而得以完成這項新穎的研究，揭示了袋狼獨特的進(jìn)化史。

E.J.K. Baker約于1904年在華盛頓特區國家公園拍攝的雌雄兩只袋狼。無(wú)版權圖片。D.S. Rovinsky上色。

由于外表神似，袋狼被稱(chēng)為塔斯馬尼亞“狼”，但事實(shí)上，他們并不是狼。不過(guò)，由于相似度太高，包括科學(xué)家在內的幾乎所有人都想當然地認為袋狼的進(jìn)化軌跡和狼非常相近。

但有一個(gè)進(jìn)化生物學(xué)專(zhuān)家小組卻不這么認為。他們走遍全球，希望能找到這個(gè)神秘物種真實(shí)的進(jìn)化路徑。

蒙納士大學(xué)研究員Douglass Rovinsky博士和Justin W. Adams博士帶上他們的埃太科三維掃描儀，走訪(fǎng)了全球各家博物館和高校博物館，掃描了不同物種的數百件標本，用于這項獨一無(wú)二的大規模研究，這項研究將告訴世人，袋狼和狼究竟是否出現了趨同進(jìn)化。

趨同進(jìn)化

在生物學(xué)中，趨同進(jìn)化就是指源自不同祖先的獨立物種，為了適應了相似的生活和生態(tài)環(huán)境，而演化出相近的身體構造和生理功能。

換言之，如果兩類(lèi)物種出現了趨同進(jìn)化，它們可能表現出實(shí)際并不存在的遺傳關(guān)系。

趨同進(jìn)化的物種：

烏龜和蝸牛：兩類(lèi)物種都進(jìn)化出了堅硬的外殼，來(lái)保護自己不受捕食者的傷害，但是烏龜屬于爬行動(dòng)物（如蜥蜴、蛇），而蝸牛屬于軟體動(dòng)物（如船蛆、蛤蜊、章魚(yú)）。

魷魚(yú)和鳳頭鸚鵡：雖然一個(gè)水里游，一個(gè)天上飛，但它們都進(jìn)化出了堅硬的喙，用來(lái)撕碎獵物。這樣一來(lái)，魷魚(yú)就可以享用深海蟹，鳳頭鸚鵡就能咀嚼花生或緩緩移動(dòng)的昆蟲(chóng)。

一個(gè)多世紀以來(lái)，大多數研究人員都想當然地認為袋狼身形酷似犬類(lèi)，因此一定在進(jìn)化學(xué)上接近狼，而且它完全不像其他人類(lèi)發(fā)現并描述的有袋類(lèi)動(dòng)物。

先前無(wú)數的研究都帶有這樣先入為主的假設，對于“袋狼就是帶袋的狼”的觀(guān)點(diǎn)，鮮有學(xué)者提出質(zhì)疑。

從體重看趨同進(jìn)化

神奇的袋狼一個(gè)世紀前突然滅絕，而大眾對袋狼先入為主的認知又十分普遍，于是Rovinsky和Adams決定對袋狼的進(jìn)化過(guò)程進(jìn)行系統研究，試圖精準且完整地勾勒出袋狼形象，還原袋狼過(guò)去的生活方式。

Adams解釋道：“不幸的是，在袋狼還未消失的時(shí)候，沒(méi)有人為其記錄過(guò)基本的自然歷史數據，比如體重、飲食偏好、捕食策略、運動(dòng)習慣、棲息地偏好等等。沒(méi)有這些細節信息，我們甚至無(wú)法了解袋狼究竟是一種什么樣的生物?！?

研究員Douglass S. Rovinsky正在用Space Spider和Artec Studio軟件掃描袋狼頭骨。

在過(guò)去的研究中，Rovinsky和Adams發(fā)現袋狼的平均體重和過(guò)去研究中假設并使用的數據有明顯不同。在最新研究中，他們深入研究并分析了袋狼和其他物種在顱骨形狀、飲食、相對獵物大小等三方面的相似度。

本研究全面探討了各項指標，清楚地表明，并沒(méi)有任何依據可以認為袋狼的頭骨外形和狼出現了趨同進(jìn)化，同樣地，袋狼也不會(huì )表現出相似的進(jìn)食習慣或進(jìn)化趨勢。

相反，Rovinsky和Adams確認，袋狼表現出了和多種犬類(lèi)趨同的進(jìn)化軌跡，如非洲豺（Lupulella adusta、Lupulella mesomelas），以及一些南美狐趨同的軌跡，如潘帕斯狐（Lycalopex gymnocercus）和鬃狼（Chrysocyon brachyurus）。

三維掃描：顱骨數據采集

重疊頭骨：在A(yíng)rtec Studio中，灰狼（藍）、袋狼（粉）、犬科明顯趨同的物種群體（綠）頭骨外形重疊在一起，就能明顯看到它們的差異。趨同組的外形來(lái)源于四種不同的犬科動(dòng)物，即鬃狼、黑背豺、側紋豺和河狐。

這類(lèi)絕跡不久的罕見(jiàn)物種標本館藏地都有嚴格的限制，不便接觸這些標本，因此，為精準測量并研究標本的頭骨形狀，他們必須找到一種亞毫米級精度的無(wú)創(chuàng )數據捕獲方式。

Rovinsky回憶道：“當時(shí)我們只能借用特定的幾件展品，館長(cháng)非常不希望卡尺等手動(dòng)測量工具劃傷或損傷這些標本，更不用說(shuō)手動(dòng)操作還要多次調整標本位置了。在標本上留下任何印記或標記都是不可接受的?！?

Artec Space Spider

這也是他們?yōu)轫椖刻暨x三維掃描儀的關(guān)鍵所在。Artec Space Spider是一款質(zhì)量輕便的手持式彩色三維掃描儀，每秒捕獲速度高達一百萬(wàn)點(diǎn)，精度達0.05毫米（人類(lèi)頭發(fā)直徑）。憑借這款產(chǎn)品，Rovinsky和Adams在短短幾分鐘內就采集了頭骨數據。

在談到Space Spider和古生物學(xué)測量中傳統卡尺和標尺的區別時(shí)，Adam說(shuō)道：“袋狼以及其他滅絕物種都不是一個(gè)二維平面形象?！?

他進(jìn)一步解釋道：“如果我們用二維測量方式來(lái)描繪生物體的外形，那我們永遠無(wú)法獲得生物形態(tài)為適應特定環(huán)境而產(chǎn)生的微妙變化。這也是Space Spider掃描儀對項目研究如此重要的原因。”

最終，他們共掃描了來(lái)自57種食肉動(dòng)物的223個(gè)頭骨標本，包括袋狼、鬣狗、麝貓、貓鼬、袋鼬、馬島長(cháng)尾貍貓、狗、浣熊等。

演化樹(shù)：本研究涉及57個(gè)物種的代表性頭骨，根據種系發(fā)生（進(jìn)化關(guān)系）排列，按科分類(lèi)（如貓科為綠色，犬科為淺藍等）。

研究流程涉及了大量物種，以確保數據集和整套分析都不失偏頗。

從進(jìn)化角度來(lái)看，除袋狼外，研究其他食肉有袋動(dòng)物，如袋鼬，以及其他小型食肉動(dòng)物，如黃鼠狼、麝貓、貓鼬，都是不可或缺的。

隨后，掃描數據在A(yíng)rtec Studio軟件中被轉換為3D模型，并導出至例如Geomagic Studio等軟件，對所選物種的3D頭骨外形進(jìn)行量化分析。

從掃描到數據集分析

Geomagic Studio軟件截屏——網(wǎng)格重新定位與對齊操作，之后將用于3D幾何形態(tài)測量程序

掃描后，3D幾何形態(tài)測量（外形）的分析需要在每份3D顱骨表面做好381處解剖標記。

這些標記可精準識別不同顱骨間的外形特點(diǎn)，加上量化分析，即可幫助研究人員解決與形狀、形態(tài)相關(guān)的諸多問(wèn)題。

在豺（Cuon alpinus）的平均顱骨外形圖上制作標記模板，分別位于顱骨兩側（a）、頂部（b）和底部（c）?；【€(xiàn)與表面上的半標記可以幫助研究員收集其他“無(wú)特征”區域的數據。

結論與新發(fā)現

曾有研究者研究過(guò)袋狼的咬合強度，并提出了袋狼飲食生態(tài)學(xué)的疑問(wèn)，本次分析結果與趨同測試能較好地回答這些問(wèn)題。

袋狼不是為對抗大型動(dòng)物而生。要能打敗大型動(dòng)物，它們必須要有強大的下頜，但事實(shí)證明，它們沒(méi)有這樣的下頜。

撕裂大型哺乳動(dòng)物需要像狼一樣相當可觀(guān)的咬合力，但袋狼的顱骨結構十分精細，根本不可能做到。

另一方面，袋狼和非洲豺、美洲狐的趨同進(jìn)化得到了數據的支持，但并未支持它們和土狼、紅狐間趨同進(jìn)化的猜測。

但是，正如Rovinsky和Adams在研究中所強調的那樣，袋狼可能與適應獵捕小型獵物的犬科動(dòng)物存在趨同進(jìn)化，但它們兩者仍然不同。

這些研究結果，結合過(guò)去對袋狼的解剖研究，進(jìn)一步表明袋狼確實(shí)是一種獨一無(wú)二的種類(lèi)。

Damir Martin制作的袋狼藝術(shù)效果圖

袋狼是一種有著(zhù)獨特進(jìn)化史的物種，可以追溯到2300多萬(wàn)年前的漸新世時(shí)代，它們既不是“有袋類(lèi)狼”，也不是“有袋類(lèi)虎”，更不是“有袋類(lèi)豺狼”。

用Rovinsky的話(huà)說(shuō)，“袋狼在人類(lèi)的捕殺下從地球上銷(xiāo)聲匿跡，至少我們可以把它們最終應得的尊重還給它們?！?

探索過(guò)去，勇往無(wú)前

研究人員未來(lái)還將進(jìn)行后續研究，關(guān)注袋狼的下頜（下顎），以揭示其與捕食行為更緊密的關(guān)系。

其他研究?jì)热葸€包括袋狼的肘部和腳部，盡可能清晰地了解袋狼的運動(dòng)模式和捕獵方式。

Rovinsky補充道：“我們對袋狼仍有很多未知。我希望今后有人繼續研究袋狼趨同進(jìn)化的身體特征，這有助于我們完善對這一消失物種的認識?！?