3D立體拼圖:重建遠古海鱷

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科技的進步日新月異,如今3D技術蓬勃發展、應用至各個領域,也為古生物學增添更多元的研究方法。2023年,一個來自瑞士侏羅紀晚期的研究,發現了一個相當完整、但骨頭四散的海鱷科化石;與此同時期,另一項古生物復原研究則嘗試透過純熟的3D 技術,重建這些完整而四散的頭骨化石,並進一步還原出遠古海鱷的樣貌與生存環境。這項研究清楚地解釋了頭部、身體、四肢等形態為何可以這樣重建,不僅作為後續產出高品質科學繪圖的重要根據,也被應用於估算遠古海鱷的體長和古環境重建。

撰文|孫正涵

圖1:侏羅蠻泳鱷 (Torvoneustes jurensis) 的本體與古環境復原圖|來源:SDSO繪製(參考文獻1、2)

 

3D技術應用在古生物學

相信喜歡恐龍的大家對於經典的《侏羅紀公園》 (Jurassic Park) 系列電影,還有最近串流平臺上的《Prehistoric Planet》影集都非常熟悉。透過影片中的畫面,讓我們能一窺史前地球的樣貌!但你有沒有想過,這些已經滅絕的古生物,到底是怎麼被重建出來的呢?

通常出土的化石並是不完整的,一般民眾很難直接想像出這些滅絕的生物究竟是長什麼樣子,而古生物復原 (Life reconstruction) 就是將這些化石重建的科學過程。這個領域是建立在古生物學 (Paleontology)、比較解剖學 (Comparative Anatomy) 與親緣關係學 (Phylogeny) 等基礎研究之上,將過去累積的研究成果作為重建古生物的參考來源,從而得以進一步自化石、骨骼到肌肉,一步步重建這些滅絕的動物。古生物復原的詳細方法與過程可以參考之前的《古生物復原:翻開覆蓋的魔法卡——死者蘇生!》這一篇文章。

3D技術應用在古生物學早已行之有年。例如:將化石標本進行光學3D掃描後,會獲得一個化石表皮的數位標本(有的甚至可以掃描出色彩),不僅在檢視標本上打破了地域的限制,更是能隨時打開電腦,研究形態;還有另一種掃描影像的方式是電腦斷層掃描,常被應用於被圍岩(註一)包埋住的細碎化石本體上,如此一來,便可在不清修圍岩的條件下(避免破壞脆弱的化石),透視化石的內部結構,進一步觀察化石的形態特徵。

大部分的化石紀錄並不完整且相當脆弱,使得化石研究這個領域充滿了挑戰,例如海鱷科 (Metriorhynchidae) 的化石紀錄就常有相對破碎的化石,過去讓古生物學家們困擾不已。不過,隨著3D技術越來越純熟,學者們得以透過3D掃描幫助古生物研究的進行。近期,利用3D技術重建頭骨,不僅促進了描述標本的研究工作,也能夠作為後續相關古生物復原繪圖的重要參考資料。

 

復活吧!來自中生代的遠古海鱷

2023年,Girard等人在瑞士的侏羅邦地區發現了一個侏羅紀晚期的新種海鱷類化石——Torvoneustes jurensis,學者命名的意涵是:拉丁文的「來自發現地侏羅邦的蠻泳鱷類」(原文:The complete name could therefore be translated from Latin as “savage swimmer from Jura”),中文名字可稱之「侏羅蠻泳鱷」!

圖2:侏羅蠻泳鱷 (Torvoneustes jurensis) 的模式標本,編號:MJSN BSY008-465|來源:參考文獻2

從化石保存的樣子(圖2)可以清楚看到,雖然化石相當完整,不過皆是非常四散的小碎片們,但這並沒有打倒學者們的研究熱忱,他們小心地將化石一一清修出來,並將每一塊化石碎片都進行3D掃描。同一時間,同研究團隊中的De Sousa Oliveira也進行了標本的數位化復原,並搭配第一手的原始標本檢視、比對,在電腦上將這些化石碎片一個一個地拼湊出完成的頭骨,就像立體拼圖一樣。從下方圖3便可發現,原本四散的化石碎片被完整地重建在它的相對位置,也能很清楚看見侏羅蠻泳鱷頭骨與下顎的樣貌,對標本形態描述與後續研究可說是神助攻!

圖3:侏羅蠻泳鱷 (Torvoneustes jurensis) 骨頭復原。(A)頭骨與下顎的側面圖、(B)頭骨的背視圖以及(C)下顎的背視圖|來源:SDSO製作(參考文獻1)

不僅頭骨,學者也透過保存的部分脊椎、前肢等部位,參考親緣關係相近的海鱷化石紀錄,計算出侏羅蠻泳鱷的總身長將近4公尺,更進一步還原出牙齒形態、槳型前肢以及合適游泳的後肢,並且參考了現生的鹹水鱷解剖紀錄,繪製出侏羅蠻泳鱷的外表,甚至加入相同區域不同的化石紀錄,勾勒出兼具科學準確與藝術美感的古生態樣貌(圖1,亦出自文獻1的學者本人)。更重要的是,這每一步還原的過程,學者都能夠清楚地交代「為什麼」可以這樣復原。就跟科學研究一樣,非常系統性地進行古生物該長什麼樣的假說驗證。(有興趣瞭解復原細節的讀者都歡迎閱讀原始文獻~)

3D技術不僅有利於古生物基礎研究的發展,也能夠延伸應用到古生物的復原研究。且這種技術的應用也不僅於學術研究中,還可以應用於標本數位典藏、科學教育和公眾展示等,豐富我們對過去地球居民的想像和理解,並且具現化史前地球的樣貌。

 


註釋

註一:圍岩是指挖掘化石時,包裹在化石邊緣的岩石,概念可以想像:如果化石是金沙巧克力裡面的榛果,那麼包裹住榛果的巧克力們就是圍岩。古生物學家會將這些圍岩去除,也就是清修化石,這樣便能看清楚保留在化石上的形態特徵。值得注意的是,因應不同的岩性也有不同的清修模式。

 


參考文獻

  1. De Sousa Oliveira, S., Girard, L., Raselli, I., & Anquetin, J, 2023, Virtual reconstruction of a Late Jurassic metriorhynchid skull from Switzerland and its use for scientific illustration and paleoart., MorphoMuseuM, 9: 1-10.
  2. Girard, L. C., Oliveira, S. D. S., Raselli, I., Martin, J. E., & Anquetin, J., 2023, Description and phylogenetic relationships of a new species of Torvoneustes (Crocodylomorpha, Thalattosuchia) from the Kimmeridgian of Switzerland., PeerJ, 11: e15512.

 


✨延伸閱讀:《古生物復原:翻開覆蓋的魔法卡——死者蘇生!

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