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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。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)可以實現(xiàn)。從科學(xué)意義上的“復(fù)活”可以分為2個方面，一是化石的精確復(fù)制和古生物形象、生物體動作的復(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)實現(xiàn)對化石標(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的展示方式不斷翻新，公眾可以像穿越時空隧道一樣，看到一個用科學(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，雖然他們會用游標(biāo)卡尺進行測量，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。計算機參與統(tǒng)計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）通過對顯生宙生物多樣性的統(tǒng)計分析識別出五次大滅絕事件。通過計算機，化石標(biāo)本數(shù)據(jù)以及所在地層地質(zhì)學(xué)數(shù)據(jù)的收錄量呈幾何級數(shù)增長，數(shù)據(jù)類型也呈現(xiàn)多樣化的趨勢，從基本數(shù)據(jù)會衍生出更多的數(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)測量數(shù)據(jù)，界標(biāo)點數(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)計方法進行相似性分析，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隊曾經(jīng)對二疊紀(jì)羅德期-沃德期全球381個腕足動物屬分布數(shù)據(jù)的聚類分析，他們通過Filemaker Developer 數(shù)據(jù)庫平臺建立化石資料數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，該數(shù)據(jù)庫包括6大模塊40多個條目。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)為單條記錄對已發(fā)表的生物化石信息進行搜集，對化石群落在空間和時間上的分布情況進行數(shù)據(jù)挖掘，提取地質(zhì)時期內(nèi)的古地理分析單元、屬和種3個條目生成統(tǒng)計分析所需要的原始數(shù)據(jù)矩陣，進行進行聚類分析，區(qū)分出4個腕足動物生物域和9個生物區(qū)。此外，他們還進行多維尺度分析，結(jié)果顯示與緯度相關(guān)的溫度梯度是控制腕足動物分布的主要因素，古地理屏障和洋流可能在腕足動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)明科研團隊對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)生植物進行對比大體確定其科屬，并根據(jù)將今論古的原理推斷其古氣候、古環(huán)境。同時根據(jù)植物群的組合面貌，多樣性，各屬種的豐度進行生物地理區(qū)劃研究，進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)碧倉庫林場土壤層下的礫巖和砂巖層中，科研團隊分別對木化石橫切面、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)絕對優(yōu)勢。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)計分析發(fā)現(xiàn)與俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)同時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)讓化石實現(xiàn)“自我復(fù)制與復(fù)原”

在數(shù)字時代除了借助計算機統(tǒng)計分析進行宏觀研究，對于化石標(biāo)本的三維建模、精確復(fù)制以及復(fù)原也是重要的研究內(nèi)容。

對于古生物三維建模

三維建模即采用激光掃描與建模技術(shù)對標(biāo)本進行數(shù)字化工作。貴州師范大學(xué)科研團隊曾經(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的激光掃描儀獲取帶紋理的標(biāo)本點紋數(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，對點云數(shù)據(jù)進行精簡優(yōu)化處理，刪除雜點、噪音點和冗余點，最終通過統(tǒng)一采樣得到點云數(shù)據(jù)模型。之后基于這個數(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，故降低原件在運輸、研究過程中損壞的風(fēng)險。

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畫軟件在古生物三維復(fù)原模型上創(chuàng)建活動關(guān)節(jié)，使得其動起來，實現(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，而且與最先進的數(shù)字建模、渲染技術(shù)與運動匹配技術(shù)相結(jié)合，制作效率高，真實感強。該科研團隊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，進行基礎(chǔ)的模型定位，運用Autodesk Maya軟件判斷肌肉力臂、關(guān)節(jié)活動范圍以及其他一些關(guān)鍵運動參數(shù)，并參考鱷魚、河馬等現(xiàn)生四足動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)芙蓉龍體型及骨骼解剖學(xué)特征，制作活動關(guān)節(jié)，并與數(shù)字模型進行綁定，渲染出符合其生理特征的動作，并通過動畫呈現(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，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現(xiàn)實技術(shù)（AR技術(shù)）和虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR技術(shù)）能夠使得公眾像是穿越時空一樣回到遠(yuǎn)古時代，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