Artec Space Spider 揭秘袋狼真实进化轨迹

挑战:两位研究员打算开展一项重大项目,专注研究现已灭绝的袋狼。但是,要想展开精准的研究,他们必须找到一种轻松、无创的数字捕获方式,为几十种不同物种、几百只动物头骨完成亚毫米级三维扫描。

解决方案:Artec Space Spider, Artec Studio, Geomagic Studio

效果:带上轻便的Artec Space Spider,两位研究员走访了全球各地的博物馆。每份标本只需几分钟的时间,即可完成扫描,不用接触,没有损坏风险。通过这种方式,他们扫描了57种食肉动物,共计223份头骨,从而得以完成这项新颖的研究,揭示了袋狼独特的进化史。

E.J.K. Baker约于1904年在华盛顿特区国家公园拍摄的雌雄两只袋狼。无版权图片。D.S. Rovinsky上色。

由于外表神似,袋狼被称为塔斯马尼亚“狼”,但事实上,他们并不是狼。不过,由于相似度太高,包括科学家在内的几乎所有人都想当然地认为袋狼的进化轨迹和狼非常相近。

但有一个进化生物学专家小组却不这么认为。他们走遍全球,希望能找到这个神秘物种真实的进化路径。

蒙纳士大学研究员Douglass Rovinsky博士和Justin W. Adams博士带上他们的埃太科三维扫描仪,走访了全球各家博物馆和高校博物馆,扫描了不同物种的数百件标本,用于这项独一无二的大规模研究,这项研究将告诉世人,袋狼和狼究竟是否出现了趋同进化。

趋同进化

在生物学中,趋同进化就是指源自不同祖先的独立物种,为了适应了相似的生活和生态环境,而演化出相近的身体构造和生理功能。

换言之,如果两类物种出现了趋同进化,它们可能表现出实际并不存在的遗传关系。

趋同进化的物种:

乌龟和蜗牛两类物种都进化出了坚硬的外壳,来保护自己不受捕食者的伤害,但是乌龟属于爬行动物(如蜥蜴、蛇),而蜗牛属于软体动物(如船蛆、蛤蜊、章鱼)。

鱿鱼和凤头鹦鹉:虽然一个水里游,一个天上飞,但它们都进化出了坚硬的喙,用来撕碎猎物。这样一来,鱿鱼就可以享用深海蟹,凤头鹦鹉就能咀嚼花生或缓缓移动的昆虫。

一个多世纪以来,大多数研究人员都想当然地认为袋狼身形酷似犬类,因此一定在进化学上接近狼,而且它完全不像其他人类发现并描述的有袋类动物。

先前无数的研究都带有这样先入为主的假设,对于“袋狼就是带袋的狼”的观点,鲜有学者提出质疑。

从体重看趋同进化

神奇的袋狼一个世纪前突然灭绝,而大众对袋狼先入为主的认知又十分普遍,于是Rovinsky和Adams决定对袋狼的进化过程进行系统研究,试图精准且完整地勾勒出袋狼形象,还原袋狼过去的生活方式。

Adams解释道:“不幸的是,在袋狼还未消失的时候,没有人为其记录过基本的自然历史数据,比如体重、饮食偏好、捕食策略、运动习惯、栖息地偏好等等。没有这些细节信息,我们甚至无法了解袋狼究竟是一种什么样的生物。”

研究员Douglass S. Rovinsky正在用Space Spider和Artec Studio软件扫描袋狼头骨。

过去的研究中,Rovinsky和Adams发现袋狼的平均体重和过去研究中假设并使用的数据有明显不同。在最新研究中,他们深入研究并分析了袋狼和其他物种在颅骨形状、饮食、相对猎物大小等三方面的相似度。

本研究全面探讨了各项指标,清楚地表明,并没有任何依据可以认为袋狼的头骨外形和狼出现了趋同进化,同样地,袋狼也不会表现出相似的进食习惯或进化趋势。

相反,Rovinsky和Adams确认,袋狼表现出了和多种犬类趋同的进化轨迹,如非洲豺(Lupulella adusta、Lupulella mesomelas),以及一些南美狐趋同的轨迹,如潘帕斯狐(Lycalopex gymnocercus)和鬃狼(Chrysocyon brachyurus)。

三维扫描:颅骨数据采集

重叠头骨:在Artec Studio中,灰狼(蓝)、袋狼(粉)、犬科明显趋同的物种群体(绿)头骨外形重叠在一起,就能明显看到它们的差异。趋同组的外形来源于四种不同的犬科动物,即鬃狼、黑背豺、侧纹豺和河狐。

这类绝迹不久的罕见物种标本馆藏地都有严格的限制,不便接触这些标本,因此,为精准测量并研究标本的头骨形状,他们必须找到一种亚毫米级精度的无创数据捕获方式。

Rovinsky回忆道:“当时我们只能借用特定的几件展品,馆长非常不希望卡尺等手动测量工具划伤或损伤这些标本,更不用说手动操作还要多次调整标本位置了。在标本上留下任何印记或标记都是不可接受的。”

Artec Space Spider

这也是他们为项目挑选三维扫描仪的关键所在。Artec Space Spider是一款质量轻便的手持式彩色三维扫描仪,每秒捕获速度高达一百万点,精度达0.05毫米(人类头发直径)。凭借这款产品,Rovinsky和Adams在短短几分钟内就采集了头骨数据。

在谈到Space Spider和古生物学测量中传统卡尺和标尺的区别时,Adam说道:“袋狼以及其他灭绝物种都不是一个二维平面形象。”

他进一步解释道:“如果我们用二维测量方式来描绘生物体的外形,那我们永远无法获得生物形态为适应特定环境而产生的微妙变化。这也是Space Spider扫描仪对项目研究如此重要的原因。”

最终,他们共扫描了来自57种食肉动物的223个头骨标本,包括袋狼、鬣狗、麝猫、猫鼬、袋鼬、马岛长尾狸猫、狗、浣熊等。

演化树:本研究涉及57个物种的代表性头骨,根据种系发生(进化关系)排列,按科分类(如猫科为绿色,犬科为浅蓝等)。

研究流程涉及了大量物种,以确保数据集和整套分析都不失偏颇。

从进化角度来看,除袋狼外,研究其他食肉有袋动物,如袋鼬,以及其他小型食肉动物,如黄鼠狼、麝猫、猫鼬,都是不可或缺的。

随后,扫描数据在Artec Studio软件中被转换为3D模型,并导出至例如Geomagic Studio等软件,对所选物种的3D头骨外形进行量化分析。

从扫描到数据集分析

Geomagic Studio软件截屏——网格重新定位与对齐操作,之后将用于3D几何形态测量程序

扫描后,3D几何形态测量(外形)的分析需要在每份3D颅骨表面做好381处解剖标记。

这些标记可精准识别不同颅骨间的外形特点,加上量化分析,即可帮助研究人员解决与形状、形态相关的诸多问题。

在豺(Cuon alpinus)的平均颅骨外形图上制作标记模板,分别位于颅骨两侧(a)、顶部(b)和底部(c)。弧线与表面上的半标记可以帮助研究员收集其他“无特征”区域的数据。

结论与新发现

曾有研究者研究过袋狼的咬合强度,并提出了袋狼饮食生态学的疑问,本次分析结果与趋同测试能较好地回答这些问题。

袋狼不是为对抗大型动物而生。要能打败大型动物,它们必须要有强大的下颌,但事实证明,它们没有这样的下颌。

撕裂大型哺乳动物需要像狼一样相当可观的咬合力,但袋狼的颅骨结构十分精细,根本不可能做到。

另一方面,袋狼和非洲豺、美洲狐的趋同进化得到了数据的支持,但并未支持它们和土狼、红狐间趋同进化的猜测。

但是,正如Rovinsky和Adams在研究中所强调的那样,袋狼可能与适应猎捕小型猎物的犬科动物存在趋同进化,但它们两者仍然不同。

这些研究结果,结合过去对袋狼的解剖研究,进一步表明袋狼确实是一种独一无二的种类。

Damir Martin制作的袋狼艺术效果图

袋狼是一种有着独特进化史的物种,可以追溯到2300多万年前的渐新世时代,它们既不是“有袋类狼”,也不是“有袋类虎”,更不是“有袋类豺狼”。

用Rovinsky的话说,“袋狼在人类的捕杀下从地球上销声匿迹,至少我们可以把它们最终应得的尊重还给它们。”

探索过去,勇往无前

研究人员未来还将进行后续研究,关注袋狼的下颌(下颚),以揭示其与捕食行为更紧密的关系。

其他研究内容还包括袋狼的肘部和脚部,尽可能清晰地了解袋狼的运动模式和捕猎方式。

Rovinsky补充道:“我们对袋狼仍有很多未知。我希望今后有人继续研究袋狼趋同进化的身体特征,这有助于我们完善对这一消失物种的认识。”

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