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三维成像技术 构建微体化石的“全息投影”

2019年12月02日 11:16:43来源:仪器网作者:宋池

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  【仪器网 时事聚焦】化石是古生物遗留的痕迹,也是古生物研究的重要对象。生物的遗迹经过掩埋,在岩层中经过漫长的时光保留下它们曾经的样子,为我们展示出远古时代的一角。其中既有我们熟知的高达几十米的恐龙化石,也有肉眼难以观察的胚胎、微生物等甚至不到1毫米的微体化石以及以微米为单位的超微化石。
 

 
  我们总是希望可以在化石上寻找到更多的信息,从最开始的通过肉眼直接观察化石形态到用相机对标本拍照再到利用光学显微镜与电子显微镜获取化石表面的细微结构,随着技术的进步,研究化石的方法也越来越先进。我们可以发现,化石研究始终离不开对化石图像的获取。然而即使是分辨率高达纳米级别的扫描电镜,也只能采集化石的表面显微图像,在不破坏标本的情况下无法观察化石的内部结构。
 
  随着X 射线三维无损成像技术的发展与应用,这个问题迎刃而解。早在1896年,医用X光机刚诞生没多久的时候,德国古生物学家就已经将X 射线成像技术应用到了化石研究中。然而早期利用X 射线得到的化石图像分辨率并不高,因此一般只用来寻找和辅助修理化石。到了上世纪70年代,CT扫描技术的出现让化石的三维结构得以无损呈现,X 射线三维无损成像技术开始在化石研究领域得到广泛的应用与快速的发展。
 
  前几日,中科院南京地质古生物研究所的研究人员与国外学者合作,在贵州瓮安生物群发现了6.1亿年前的胚胎化石并通过三维成像技术构建出其中数百个标本的立体结构。被命名为“笼脊球”的瓮安生物群胚胎化石是已知的最古老的与动物相关的胚胎化石。通过对三维立体结构的研究,研究人员发现笼脊球化石是动物由单细胞向多细胞演化的关键一步。这只是X 射线三维无损成像技术应用的其中一个例子。
 
  笼脊球的单个直径不足1毫米,相较于正常大小的化石,研究这种微体化石需要有更高的密度分辨率和空间分辨率,无法依靠普通CT技术进行无损成像。2002年,同步辐射硬 X 射线相衬微 CT(PC-SR-μCT)开始应用于瓮安生物群微小化石的研究中。同步辐射硬 X 射线相衬微CT在化石无损三维成像中具有三个优点:1.同步辐射硬X射线具有高亮度、高准直性和较高空间相干性等特点,可以明显提高化石样品的成像衬度。2.同步辐射硬X射线投影成像的空间分辨率高,成像速度快。3.同步辐射可使用单色硬X射线成像,避免了硬化伪影问题。利用同步辐射硬 X 射线相衬微CT,我国在瓮安微体化石的研究中取得了许多重大成果,使我国在这一领域可以领先于国际水平。
 
  目前同步辐射硬 X 射线相衬微CT还存在着一些问题有待解决,化石无损研究的技术发展也不会就此止步。技术的发展对研究带来的助力是显而易见的,我国能不能保持在微体化石研究领域的领先地位还要看我们能不能在技术的改进上快人一步。
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