但是使用統(tǒng)計(jì)方法來分析大數(shù)據(jù)，以及對(duì)化石進(jìn)行常規(guī) CT 掃描以揭示其微小的微觀結(jié)構(gòu)，開辟了全新的研究領(lǐng)域，包括哺乳動(dòng)物如何成為現(xiàn)代世界的溫血產(chǎn)奶者。
多虧了新技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理，滅絕生命的知識(shí)已經(jīng)從以前用筆、紙和敏銳的眼睛所限制的邊界爆炸了。它們揭示了定義我們星球的動(dòng)物的起源，提供了用于從醫(yī)學(xué)到保護(hù)和減緩氣候變化等方方面面的結(jié)果。
其中許多方法正在英國的化石上進(jìn)行部署——例如我在斯凱島研究的那些——有助于全面修訂我們對(duì)主要生物群進(jìn)化的理解，包括我們自己的譜系。
使用 X 射線 CT 掃描(計(jì)算機(jī)斷層掃描)是現(xiàn)代古生物學(xué)中無處不在的一部分。這對(duì)于脊椎動(dòng)物尤其如此，但它可用于研究無脊椎動(dòng)物、植物和巖石本身。
手動(dòng)薄片是科學(xué)中一種歷史悠久的分析工具，它是通過將材料切割得如此精細(xì)以至于光線可以穿過它們而產(chǎn)生的。CT 提供的優(yōu)勢(shì)是有機(jī)會(huì)在不損壞化石的情況下觀察化石的結(jié)構(gòu)。
CT 掃描的工作原理是輻射密度：電磁頻譜的一部分比其他材料更容易通過某些材料。不允許電磁輻射穿過它們的材料是輻射密集的，那些允許輻射的材料是射線可透的。
對(duì)于我們大多數(shù)人來說，我們第一次，也許是唯一一次接觸 CT 是醫(yī)學(xué)上的。例如，在斷骨的傳統(tǒng) X 射線圖像中，您將骨骼視為平面的二維投影。它非常有用，但只能告訴你這么多。CT 掃描通過捕獲多個(gè)單獨(dú)的投影(如不同角度的照片)，然后應(yīng)用算法在 x、y 和 z 軸上以數(shù)字方式重建整個(gè)對(duì)象，從而獲得 3D 圖像。
1971 年的第一次 CT 掃描拍攝了 180 張單獨(dú)的圖像，每張需要 5 分鐘，重建需要兩個(gè)半小時(shí)。如今，古生物學(xué)家獲得的大多數(shù) CT 掃描只需不到一個(gè)小時(shí)即可完成——有時(shí)只需幾分鐘。它取決于被掃描材料的??大小和性質(zhì)。
掃描儀現(xiàn)在是如此普遍，以至于它是一種相對(duì)簡(jiǎn)單、廉價(jià)的方法，允許將化石解剖結(jié)構(gòu)的壯觀數(shù)字動(dòng)畫用于科學(xué)以及公眾宣傳。
科學(xué)領(lǐng)域有一個(gè)新的孩子，越來越多地被用作古生物學(xué)家工具包的一部分。這稱為同步加速器掃描。
同步加速器掃描是 CT 發(fā)揮到極致，可視化的超級(jí)英雄。由于同步加速器 X 射線的強(qiáng)度，使用傳統(tǒng) CT 難以區(qū)分的材料可以更容易辨別，同步加速器 X 射線能夠更好地穿過材料并更快地產(chǎn)生結(jié)果。這些 X 射線已經(jīng)從以接近光速的速度放大的電子剝離，使用磁鐵將它們引導(dǎo)到稱為光束線的管子中，在那里它們擊中目標(biāo)：化石標(biāo)本。
這種形式的掃描用于從理解酶的結(jié)構(gòu)到找出重新冷凍的冰淇淋味道不好的原因(這是冰晶的形狀)。同步加速器還提供了前所未有的化石生物新數(shù)據(jù)，包括我研究的哺乳動(dòng)物。
我們中的許多人都聽說過 CT 掃描，這是一種 X 射線掃描，它拍攝多張照片以數(shù)字方式構(gòu)建該區(qū)域的三維圖像 © Getty Images
在攻讀博士學(xué)位期間，我開始研究 1970 年代在蘇格蘭斯凱島發(fā)現(xiàn)的侏羅紀(jì)哺乳動(dòng)物的骨骼。盡管極為罕見，但它們之前從未被研究過，在博物館的儲(chǔ)物箱中保存了 40 多年。我的第一個(gè)任務(wù)是獲取它們微小骨骼的掃描圖。這些動(dòng)物一生只有手掌那么長，它們的火柴棍骨架仍然包裹在堅(jiān)硬的石灰?guī)r中，使用傳統(tǒng)技術(shù)(例如將巖石溶解在酸中)無法輕易去除這些石灰?guī)r。
但是在蘇格蘭和英格蘭的機(jī)構(gòu)使用常規(guī) CT 進(jìn)行三次掃描嘗試失敗后，我的選擇已經(jīng)不多了。包含化石的塊太大，那些掃描儀的功能不足以穿透它們。如果沒有詳細(xì)的圖像，我將無法重建骨骼或研究它們的嬌小解剖結(jié)構(gòu)。
最后，我將這些化石帶到了位于格勒諾布爾的歐洲同步加速器輻射設(shè)施，在那里我與一位專家合作，獲得了成功的掃描結(jié)果。盡管采用了未來派技術(shù)，我們還是將斯凱化石放入由小塊聚苯乙烯泡沫塑料盒制成的搖籃中，用膠帶將它們固定，然后將它們粘在雙面膠帶床上的掃描平臺(tái)上。就像藍(lán)彼得做物理一樣。標(biāo)本后面的探測(cè)器面板收集 X 射線通過時(shí)投射的陰影圖案，將它們發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行編織。
通過這種方式，我們對(duì)它們進(jìn)行了內(nèi)外三個(gè)維度的成像。以 6 微米的分辨率掃描最重要的化石需要 10 個(gè)小時(shí)——即千分之六毫米，足以完成這項(xiàng)工作。
同步加速器在傳統(tǒng) CT 失敗的地方取得了成功，節(jié)省了古生物學(xué)的一天，但我們?nèi)绾翁幚砦覀儺a(chǎn)生的數(shù)據(jù)?掃描數(shù)據(jù)最明顯的用途是簡(jiǎn)單地重建骨骼和其他結(jié)構(gòu)。
2018 年，我使用 CT 數(shù)據(jù)檢查了比小扁豆還小的哺乳動(dòng)物耳骨化石或巖骨。耳骨在哺乳動(dòng)物進(jìn)化中很重要，因?yàn)樗鼈兙哂蟹欠驳穆犃δ芰Α尿鸬淖罡呋芈暥ㄎ唬酱笙蠛退{(lán)鯨的深腹部隆隆聲。要了解這個(gè)音頻范圍是如何演變的，我們需要隨著時(shí)間的推移觀察耳朵結(jié)構(gòu)。
我不僅能夠重建這塊侏羅紀(jì)的耳骨，還能追蹤穿過它的神經(jīng)和血管的通路。這揭示了軟組織如何在生活在 1.66 億年前的動(dòng)物的功能耳朵中工作，提供了另一塊發(fā)育難題。
同步加速器掃描揭示的驚人細(xì)節(jié)意味著我們可以更深入地觀察舊牙齒和骨骼。分辨率更高，這使研究人員能夠以驚人的細(xì)節(jié)研究微小的物體。
在過去的幾年里，我的同事Elis Newham一直在與一個(gè)團(tuán)隊(duì)合作，研究古代哺乳動(dòng)物牙齒中的年輪，以了解它們的壽命。這些年輪由一種叫做牙骨質(zhì)的物質(zhì)形成，每年都會(huì)以生長和停止的模式礦化，就像在樹干中一樣。它們已被考古學(xué)家用來研究古代人類，但紐漢和他的團(tuán)隊(duì)將它們計(jì)入了最早的哺乳動(dòng)物——像摩根古龍這樣的動(dòng)物，這是一種來自威爾士晚三疊世的小鼠大小的祖先。
Newhams 的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，最早的哺乳動(dòng)物生活了十多年，按照小型哺乳動(dòng)物的標(biāo)準(zhǔn)，它們是名副其實(shí)的古人。Little Morganucodon 本可以慶祝它的 14 歲生日派對(duì)，對(duì)于大多數(shù)相似比例的現(xiàn)代哺乳動(dòng)物來說，這是一個(gè)無法實(shí)現(xiàn)的里程碑。只有在現(xiàn)代血統(tǒng)的第一批成員中，壽命才顯著縮短到幾年。
這一發(fā)現(xiàn)可能暗示了重大進(jìn)化變化的時(shí)間。最早的哺乳動(dòng)物可能仍在產(chǎn)卵，它們的長壽命表明，與今天的大多數(shù)哺乳動(dòng)物相比，它們的生長速度更慢，體溫也略低。
侏羅紀(jì)壽命的縮短可能與新陳代謝和靜息體溫升高有關(guān)。變得“熱血”。紐漢和我現(xiàn)在正在對(duì)來自蘇格蘭的化石使用這種技術(shù)，看看他們的小咬牙切齒中可能藏著什么秘密。
所以，如果你的腦海中仍然有印第安納瓊斯或侏羅紀(jì)公園古生物學(xué)家的照片，那你就大錯(cuò)特錯(cuò)了。
忘記鞭子和槍，真正的古生物學(xué)家隨身攜帶的是他們的筆記本電腦。他們可能偶爾需要一頂帽子來進(jìn)行實(shí)地考察，但大多數(shù)人會(huì)更好地投資于舒適的辦公椅，因?yàn)樗麄儗⒃诟叨穗娔X前度過大部分時(shí)間。他們像我們大多數(shù)人寫短信一樣輸入代碼，像普通人搶外賣咖啡一樣獲取 CT 掃描。
