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已經(jīng)滅絕的遠(yuǎn)古生靈如何“復(fù)活”，很多科幻小說和影視給出的方法突破了常人的想象，從提取殘留血液中的DNA復(fù)制恐龍到施用魔法棒讓埋藏地層中的骨骼化石長(zhǎng)出肌肉，故事情節(jié)很博大眾眼球，然而往往違反基本的科學(xué)原理和常識(shí)。雖然，從生物學(xué)意義上的復(fù)活，人類還未探索出可靠的技術(shù)方法，但是從科學(xué)意義上的“復(fù)活”已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。從科學(xué)意義上的“復(fù)活”可以分為2個(gè)方面，一是化石的精確復(fù)制和古生物形象、生物體動(dòng)作的復(fù)原，二是生物群落和生態(tài)環(huán)境的復(fù)原。

古生物學(xué)的建立，打開了人類探索史前世界的大門，然而直到20世紀(jì)90年代之前，都是基于標(biāo)本的描述型學(xué)科。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，古生物學(xué)逐漸發(fā)展成為與數(shù)據(jù)密切關(guān)聯(lián)的科學(xué)。從最早的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，到數(shù)據(jù)模型的建立，再到如今通過數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)化石標(biāo)本的精確掃描、復(fù)制以及復(fù)原，遠(yuǎn)古生靈插上了數(shù)字的翅膀，不僅使得古生物學(xué)者實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多地多人次的同步研究與數(shù)據(jù)共享，更使得博物館、科學(xué)中心等科普教育平臺(tái)的展示方式不斷翻新，公眾可以像穿越時(shí)空隧道一樣，看到一個(gè)用科學(xué)密碼還原的遠(yuǎn)古世界。

建立在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的古生物研究

古生物學(xué)以化石標(biāo)本為重要研究對(duì)象，但是早期的古生物學(xué)家更多側(cè)重于形態(tài)結(jié)構(gòu)的描述，雖然他們會(huì)用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，但是獲得的數(shù)據(jù)量有限，并且這些數(shù)據(jù)分散而凌亂。計(jì)算機(jī)參與統(tǒng)計(jì)分析徹底改變了古生物學(xué)的研究方法，例如美國芝加哥大學(xué)學(xué)者塞普科斯基（Sepkoski）通過對(duì)顯生宙生物多樣性的統(tǒng)計(jì)分析識(shí)別出五次大滅絕事件。通過計(jì)算機(jī)，化石標(biāo)本數(shù)據(jù)以及所在地層地質(zhì)學(xué)數(shù)據(jù)的收錄量呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)類型也呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)，從基本數(shù)據(jù)會(huì)衍生出更多的數(shù)據(jù)類型。

五次生物大滅絕就是基于統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果

有學(xué)者將古生物數(shù)據(jù)劃分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，生物物種出現(xiàn)時(shí)間、豐度、多樣性等按照預(yù)定義方式組織的數(shù)據(jù)為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；而化石形態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)，如形態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)，界標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)和形狀數(shù)據(jù)等，則歸入半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)對(duì)于古生物地理區(qū)系的劃分、古環(huán)境的分析有重要作用；而半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)則是標(biāo)本數(shù)字化建模和復(fù)原的基礎(chǔ)。近年來，大數(shù)據(jù)在生物地理區(qū)系方面發(fā)揮了重要作用。許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)在不同地區(qū)出現(xiàn)的生物群在生物組合上有一定的重合，不同地區(qū)之間其生物組合的重合程度不同，通過多元統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行相似性分析，從而研究生物區(qū)的起源、演化。

浙江自然博物館和中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所的科研團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)對(duì)二疊紀(jì)羅德期-沃德期全球381個(gè)腕足動(dòng)物屬分布數(shù)據(jù)的聚類分析，他們通過Filemaker Developer 數(shù)據(jù)庫平臺(tái)建立化石資料數(shù)據(jù)庫，對(duì)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該數(shù)據(jù)庫包括6大模塊40多個(gè)條目。接下來就是數(shù)據(jù)的收集發(fā)掘和分析，他們以種的出現(xiàn)為單條記錄對(duì)已發(fā)表的生物化石信息進(jìn)行搜集，對(duì)化石群落在空間和時(shí)間上的分布情況進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，提取地質(zhì)時(shí)期內(nèi)的古地理分析單元、屬和種3個(gè)條目生成統(tǒng)計(jì)分析所需要的原始數(shù)據(jù)矩陣，進(jìn)行進(jìn)行聚類分析，區(qū)分出4個(gè)腕足動(dòng)物生物域和9個(gè)生物區(qū)。此外，他們還進(jìn)行多維尺度分析，結(jié)果顯示與緯度相關(guān)的溫度梯度是控制腕足動(dòng)物分布的主要因素，古地理屏障和洋流可能在腕足動(dòng)物空間分布模式的形成中同樣扮演著重要角色。

元謀盆地工作區(qū)  供圖/程業(yè)明

供圖/程業(yè)明

元謀盆地采集的木化石

筆者曾經(jīng)參與中國地質(zhì)博物館程業(yè)明科研團(tuán)隊(duì)對(duì)黑龍江伊春和云南元謀的木化石和古環(huán)境的調(diào)查研究工作。木化石作為重要的植物化石類型之一，保存了植物體莖干與根部次生木質(zhì)部解剖結(jié)構(gòu)特征，可以將這些特征與現(xiàn)生植物進(jìn)行對(duì)比大體確定其科屬，并根據(jù)將今論古的原理推斷其古氣候、古環(huán)境。同時(shí)根據(jù)植物群的組合面貌，多樣性，各屬種的豐度進(jìn)行生物地理區(qū)劃研究，進(jìn)而推斷影響植物種群分布的古地理因素。黑龍江省伊春木化石群出土于美溪區(qū)碧倉庫林場(chǎng)土壤層下的礫巖和砂巖層中，科研團(tuán)隊(duì)分別對(duì)木化石橫切面、徑切面、弦切面制作切片，利用奧林巴斯DP72相機(jī)拍攝木化石顯微構(gòu)造圖片。經(jīng)過鑒定，發(fā)現(xiàn)其分屬4科8屬的裸子植物，其中松科木化石多樣性最高,占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。葉枝杉型木屬、紅豆杉型木屬首次在黑龍江地區(qū)發(fā)現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)與俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)同時(shí)期裸子植物群落具有較高的相似性。和伊春不同，云南元謀盆地新近紀(jì)地層中木化石標(biāo)本，以被子植物木材為主，包括三尖杉科、松科、漆樹科、大戟科、豆科、殼斗科、胡桃科、千屈菜科、楝科、無患子科、榆科等類群，通過和現(xiàn)代植物地理區(qū)系進(jìn)行的相似性分析后，推斷元謀盆地在新近紀(jì)上新世為亞熱帶氣候，已經(jīng)發(fā)育成金沙江流域的干熱谷。

數(shù)字技術(shù)讓化石實(shí)現(xiàn)“自我復(fù)制與復(fù)原”

在數(shù)字時(shí)代除了借助計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行宏觀研究，對(duì)于化石標(biāo)本的三維建模、精確復(fù)制以及復(fù)原也是重要的研究?jī)?nèi)容。

對(duì)于古生物三維建模

三維建模即采用激光掃描與建模技術(shù)對(duì)標(biāo)本進(jìn)行數(shù)字化工作。貴州師范大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)開展了胡氏貴州龍的化石掃描，他們使用帶有高清紋理相機(jī)的激光掃描儀獲取帶紋理的標(biāo)本點(diǎn)紋數(shù)據(jù)，為提高掃描精度，掃描工作安排在無噪音、采光和溫濕度正常的室內(nèi)進(jìn)行，并且在工作簽完成掃描儀的標(biāo)定工作，使得數(shù)據(jù)標(biāo)定誤差小于0.1毫米。在掃描完成后，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)優(yōu)化處理，刪除雜點(diǎn)、噪音點(diǎn)和冗余點(diǎn)，最終通過統(tǒng)一采樣得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型。之后基于這個(gè)數(shù)字模型采用硬質(zhì)光敏樹脂材料彩色3D打印系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)制。三維建模和3D打印技術(shù)使得化石標(biāo)本的遠(yuǎn)程研究成為可能，對(duì)于重要的模式標(biāo)本，數(shù)字模型和3D打印可以生成高精度的復(fù)制品，代替原件用于研究和展示，故降低原件在運(yùn)輸、研究過程中損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

數(shù)字技術(shù)不僅使得化石能夠像生物繁育后代一樣自我復(fù)制，還能夠通過分析生物體結(jié)構(gòu)，參照現(xiàn)代同類或相似動(dòng)物，附加未保存成為化石的肌肉和皮膚，并利用可視化的的動(dòng)畫軟件在古生物三維復(fù)原模型上創(chuàng)建活動(dòng)關(guān)節(jié)，使得其動(dòng)起來，實(shí)現(xiàn)科學(xué)意義上的“復(fù)活”。湖南省地質(zhì)博物館曾經(jīng)使用Autodesk Maya軟件對(duì)于無牙芙蓉龍開展了三維復(fù)原。Autodesk Maya軟件不僅具有三維視覺效果制作功能，而且與最先進(jìn)的數(shù)字建模、渲染技術(shù)與運(yùn)動(dòng)匹配技術(shù)相結(jié)合，制作效率高，真實(shí)感強(qiáng)。該科研團(tuán)隊(duì)在分析芙蓉龍骨骼結(jié)構(gòu)以及頭骨與身體、身體和四肢等各部位比例關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基礎(chǔ)的模型定位，運(yùn)用Autodesk Maya軟件判斷肌肉力臂、關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍以及其他一些關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并參考鱷魚、河馬等現(xiàn)生四足動(dòng)物骨骼和肌肉生成規(guī)律、皮膚特征，在芙蓉龍骨骼數(shù)字模型上做出合理搭建，并根據(jù)其生活環(huán)境以及氣候特征，推斷皮膚上的相關(guān)細(xì)節(jié)，經(jīng)過數(shù)字渲染技術(shù)復(fù)原皮膚上的褶皺和顏色等信息。最后根據(jù)芙蓉龍?bào)w型及骨骼解剖學(xué)特征，制作活動(dòng)關(guān)節(jié)，并與數(shù)字模型進(jìn)行綁定，渲染出符合其生理特征的動(dòng)作，并通過動(dòng)畫呈現(xiàn)出來。

通過3D打印技術(shù)制作仿真恐龍

數(shù)字技術(shù)的發(fā)展不僅使得古生物的研究有了新的方法和工具，使得這一傳統(tǒng)學(xué)科完成了從描述科學(xué)到數(shù)據(jù)科學(xué)的完美升級(jí)，更為重要的是數(shù)字化石技術(shù)在影視制作、博物館展陳、圖書出版以及各種文創(chuàng)產(chǎn)品開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前在4D影院、博物館展廳廣泛使用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR技術(shù)）和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR技術(shù)）能夠使得公眾像是穿越時(shí)空一樣回到遠(yuǎn)古時(shí)代，而3D打印的化石模型使得古生物愛好者能夠?qū)㈡?zhèn)館之寶級(jí)的標(biāo)本“買回家”，集文字、聲音、圖像于一體的電子出版產(chǎn)品突破了紙質(zhì)出版物的限制，使得讀者全方位地感受遠(yuǎn)古生靈的信息。

或許在可預(yù)見的未來，讓已經(jīng)逝去億萬年的遠(yuǎn)古生靈實(shí)現(xiàn)生物學(xué)意義的復(fù)活仍是科幻小說的情節(jié)，但是數(shù)字技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)意義的復(fù)活，將地球史前世界的大門向公眾敞開。

作者單位：中國地質(zhì)博物館