3D掃描儀
· Artec
Space Spider
挑戰(zhàn)：兩位研究員打算開(kāi)展一項(xiàng)重大項(xiàng)目，專注研究現(xiàn)已滅絕的袋狼。但是，要想展開(kāi)精準(zhǔn)的研究，他們必須找到一種輕松、無(wú)創(chuàng)的數(shù)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(jí)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，兩位研究員走訪了全球各地的博物館。每份標(biāo)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(xiǎn)。通過(guò)這種方式，他們掃描了57種食肉動(dòng)物，共計(jì)223份頭骨，從而得以完成這項(xiàng)新穎的研究，揭示了袋狼獨(dú)特的進(jìn)化史。
E.J.K. Baker約于1904年在華盛頓特區(qū)國(guó)家公園拍攝的雌雄兩只袋狼。無(wú)版權(quán)圖片。D.S. Rovinsky上色。
由于外表神似，袋狼被稱為塔斯馬尼亞“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(nèi)的幾乎所有人都想當(dāng)然地認(rèn)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)專家小組卻不這么認(rèn)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，走訪了全球各家博物館和高校博物館，掃描了不同物種的數(shù)百件標(biāo)本，用于這項(xiàng)獨(dú)一無(wú)二的大規(guī)模研究，這項(xiàng)研究將告訴世人，袋狼和狼究竟是否出現(xiàn)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(dú)立物種，為了適應(yīng)了相似的生活和生態(tài)環(huán)境，而演化出相近的身體構(gòu)造和生理功能。
換言之，如果兩類物種出現(xiàn)了趨同進(jìn)化，它們可能表現(xiàn)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：兩類物種都進(jìn)化出了堅(jiān)硬的外殼，來(lái)保護(hù)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）。
魷魚和鳳頭鸚鵡：雖然一個(gè)水里游，一個(gè)天上飛，但它們都進(jìn)化出了堅(jiān)硬的喙，用來(lái)撕碎獵物。這樣一來(lái)，魷魚就可以享用深海蟹，鳳頭鸚鵡就能咀嚼花生或緩緩移動(dòng)的昆蟲。
一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，大多數(shù)研究人員都想當(dāng)然地認(rèn)為袋狼身形酷似犬類，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發(fā)現(xiàn)并描述的有袋類動(dòng)物。
先前無(wú)數(shù)的研究都帶有這樣先入為主的假設(shè)，對(duì)于“袋狼就是帶袋的狼”的觀點(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(jì)前突然滅絕，而大眾對(duì)袋狼先入為主的認(rèn)知又十分普遍，于是Rovinsky和Adams決定對(duì)袋狼的進(jìn)化過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)研究，試圖精準(zhǔn)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(shù)據(jù)，比如體重、飲食偏好、捕食策略、運(yùn)動(dòng)習(xí)慣、棲息地偏好等等。沒(méi)有這些細(xì)節(jié)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(xiàn)袋狼的平均體重和過(guò)去研究中假設(shè)并使用的數(shù)據(jù)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(duì)獵物大小等三方面的相似度。
本研究全面探討了各項(xiàng)指標(biāo)，清楚地表明，并沒(méi)有任何依據(jù)可以認(rèn)為袋狼的頭骨外形和狼出現(xiàn)了趨同進(jìn)化，同樣地，袋狼也不會(huì)表現(xiàn)出相似的進(jìn)食習(xí)慣或進(jìn)化趨勢(shì)。
相反，Rovinsky和Adams確認(rèn)，袋狼表現(xiàn)出了和多種犬類趨同的進(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(shù)據(jù)采集
重疊頭骨：在Artec Studio中，灰狼（藍(lán)）、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(cè)紋豺和河狐。
這類絕跡不久的罕見(jiàn)物種標(biāo)本館藏地都有嚴(yán)格的限制，不便接觸這些標(biāo)本，因此，為精準(zhǔn)測(cè)量并研究標(biāo)本的頭骨形狀，他們必須找到一種亞毫米級(jí)精度的無(wú)創(chuàng)數(shù)據(jù)捕獲方式。
Rovinsky回憶道：“當(dāng)時(shí)我們只能借用特定的幾件展品，館長(zhǎng)非常不希望卡尺等手動(dòng)測(cè)量工具劃傷或損傷這些標(biāo)本，更不用說(shuō)手動(dòng)操作還要多次調(diào)整標(biāo)本位置了。在標(biāo)本上留下任何印記或標(biāo)記都是不可接受的?！?
Artec Space Spider
這也是他們?yōu)轫?xiàng)目挑選三維掃描儀的關(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(dá)一百萬(wàn)點(diǎn)，精度達(dá)0.05毫米（人類頭發(fā)直徑）。憑借這款產(chǎn)品，Rovinsky和Adams在短短幾分鐘內(nèi)就采集了頭骨數(shù)據(jù)。
在談到Space Spider和古生物學(xué)測(cè)量中傳統(tǒng)卡尺和標(biāo)尺的區(qū)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(cè)量方式來(lái)描繪生物體的外形，那我們永遠(yuǎn)無(wú)法獲得生物形態(tài)為適應(yīng)特定環(huán)境而產(chǎn)生的微妙變化。這也是Space Spider掃描儀對(duì)項(xiàng)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(biāo)本，包括袋狼、鬣狗、麝貓、貓鼬、袋鼬、馬島長(zhǎng)尾貍貓、狗、浣熊等。
演化樹：本研究涉及57個(gè)物種的代表性頭骨，根據(jù)種系發(fā)生（進(jìn)化關(guān)系）排列，按科分類（如貓科為綠色，犬科為淺藍(lán)等）。
研究流程涉及了大量物種，以確保數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在Artec Studio軟件中被轉(zhuǎn)換為3D模型，并導(dǎo)出至例如Geomagic Studio等軟件，對(duì)所選物種的3D頭骨外形進(jìn)行量化分析。
從掃描到數(shù)據(jù)集分析
Geomagic Studio軟件截屏——網(wǎng)格重新定位與對(duì)齊操作，之后將用于3D幾何形態(tài)測(cè)量程序
掃描后，3D幾何形態(tài)測(cè)量（外形）的分析需要在每份3D顱骨表面做好381處解剖標(biāo)記。
這些標(biāo)記可精準(zhǔn)識(shí)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(biāo)記模板，分別位于顱骨兩側(cè)（a）、頂部（b）和底部（c）。弧線與表面上的半標(biāo)記可以幫助研究員收集其他“無(wú)特征”區(qū)域的數(shù)據(jù)。
結(jié)論與新發(fā)現(xiàn)
曾有研究者研究過(guò)袋狼的咬合強(qiáng)度，并提出了袋狼飲食生態(tài)學(xué)的疑問(wèn)，本次分析結(jié)果與趨同測(cè)試能較好地回答這些問(wèn)題。
袋狼不是為對(duì)抗大型動(dòng)物而生。要能打敗大型動(dòng)物，它們必須要有強(qiáng)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(dāng)可觀的咬合力，但袋狼的顱骨結(jié)構(gòu)十分精細(xì)，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(shù)據(jù)的支持，但并未支持它們和土狼、紅狐間趨同進(jìn)化的猜測(cè)。
但是，正如Rovinsky和Adams在研究中所強(qiáng)調(diào)的那樣，袋狼可能與適應(yīng)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(jié)果，結(jié)合過(guò)去對(duì)袋狼的解剖研究，進(jìn)一步表明袋狼確實(shí)是一種獨(dú)一無(wú)二的種類。
Damir Martin制作的袋狼藝術(shù)效果圖
袋狼是一種有著獨(dú)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“有袋類狼”，也不是“有袋類虎”，更不是“有袋類豺狼”。
用Rovinsky的話說(shuō)，“袋狼在人類的捕殺下從地球上銷聲匿跡，至少我們可以把它們最終應(yīng)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(xù)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?jī)?nèi)容還包括袋狼的肘部和腳部，盡可能清晰地了解袋狼的運(yùn)動(dòng)模式和捕獵方式。
Rovinsky補(bǔ)充道：“我們對(duì)袋狼仍有很多未知。我希望今后有人繼續(xù)研究袋狼趨同進(jìn)化的身體特征，這有助于我們完善對(duì)這一消失物種的認(rèn)識(shí)?！?
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