2019-01-07 22:50:02
蝙蝠头骨的三维扫描有助于自然历史博物馆打开其收藏品的黑暗角落

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想象一下自然历史博物馆。我想到了什么?童年对恐龙骨骼和立体模型的回忆?或者您仍然可以访问天文馆节目或IMAX功能?您可能会惊讶地发现,这些面向公众的展品背后隐藏着一个无价的宝库,大多数游客都看不到:博物馆的藏品。

这些藏品远非被遗忘,尘土飞扬的墓葬,有时甚至是这种感知,它们都是这个星球上生命研究的最前沿。一些最大的收藏品的庞大规模可能是惊人的。例如,史密森尼国家自然历史博物馆收藏了超过1.5亿个标本。即使是较小的学术机构,如密歇根大学的研究博物馆中心,也有一个迷宫般的标本库,可以保存数百万个骷髅,化石,干燥的植物材料和震撼的生物。

最重要的是,在任何特定时间研究这些丰富的知识都是活跃的研究人员,致力于解开地球生物多样性的复杂性。在密歇根大学,我获得了博士学位。在生态学和进化生物学中,我在这些骨骼,化石和其他自然宝藏中间工作。这些标本对我的研究至关重要,是世界自然历史的主要记录。

尽管这些收藏价值不可估量,但我常常想知道如何让它们更容易获取。一个对数百个蝙蝠头骨进行数字扫描的项目是将古老的维多利亚时代收藏中的标本带到21世纪博物馆实践的最前沿的一种方法。

一种宝贵的资源,很大程度上隐藏在视野

通过研究收集标本之间和之内的变异,生物学家发现了自然界的许多生态和进化的奥秘。例如,最近一项关于鸟类标本的研究追溯了一个多世纪以来大气黑碳的日益集中及其在气候变化中的作用。科学家可以从标本中收集古代DNA,并收集有关现在受到威胁和濒危的生物的历史种群水平和健康遗传多样性的信息。

我自己对全球蝙蝠多样性的研究使用了数百个博物馆标本来得出结论,热带蝙蝠比许多生物学家所期望的更容易共存。这一发现符合生命树的整体模式,热带物种的数量超过其温带表亲。它也可能有助于解释为什么在中美洲和南美洲的许多地方,蝙蝠是最丰富多样的哺乳动物时期。

然而,对这些标本的研究往往需要直接进入,这可能会付出惨重的代价。研究人员必须前往博物馆,或博物馆必须将他们的标本集中运送给研究人员 - 无论是后勤还是财务方面的挑战。可以理解的是,博物馆对运送许多真正无法替代的标本持谨慎态度 - 这是我们世界中某些有机体存在的最后证据。博物馆的预算和碳足迹可以通过贷款快速膨胀。由于物理标本不能同时在多个位置,研究人员可能不得不等待无限期的时间,而他们的材料被借给其他人。

CT扫描蝙蝠头骨

我试图与我的合作者Daniel Rabosky和Erin Westeen使用微CT技术解决这些访问问题。就像医学CT扫描一样,micro-CT使用X射线对物体进行数字化而不会损坏它们 - 在我们的例子中,这些扫描发生在百万分之一米(微米)的精细尺度上。这意味着微型CT扫描在高分辨率下非常准确。甚至非常微小的标本和零件也保留了生动的细节。

我的博士研究中,我们使用微型CT扫描数字化了我们博物馆收藏的近700个蝙蝠头骨。根据估计约1,300种物种,蝙蝠占现代哺乳动物物种的25%至30%,仅次于啮齿动物。然而,研究人员长期以来对蝙蝠着迷的原因之一是它们在自然界中的行为和功能的巨大差异。这种生态多样性的大部分都是在他们的头骨中编码的,这些头骨的形状和大小各不相同。

在密歇根牙科学院的微型CT设施中,我们以高分辨率扫描每个蝙蝠头骨。每次扫描每个样本产生数十万个图像 - 每个图像都是原始头骨的微小横截面。通过这些横截面的“堆叠”,我们然后重建了三维表面和体积。从本质上讲,我们从大约700个原件中重新创建了一个三维“数字样本”。

数字样本打开门

我们与杜克大学的MorphoSource合作,在研究人员,教育工作者和学生的开放存取库中发布了我们的数字标本。每个数字样本都与原始标识数据相关联,无需旅行或运输即可进行研究。更好的是,可以对许多精密部件进行数字解剖,而不必担心会造成无法修复的损坏。数字样本甚至可以以不同比例进行3D打印,以用于教育环境和博物馆展览。

我的同事Dan和Erin继续将这些努力扩展到我们博物馆的其他脊椎动物。我们希望更广泛的科学界能够接受开放获取的数字样本数据,就像生物学中采用数字化,公开可用的遗传数据一样。数字化可以扩大每个博物馆的覆盖范围,特别是随着扫描价格下降和开放式微型CT软件变得更加实用。

这场数字革命正值许多自然历史博物馆濒临灭绝的时候。在全球范围内,博物馆因预算削减和数十年的忽视而受到严重影响,并带来毁灭性后果。

振兴博物馆的一种方法是接受数字任务,保护无价数据并促进全球合作。数字化不仅不会使物理收藏变得过时,也可以使自然历史博物馆现代化,就像图书馆和其他艺术,历史和文化博物馆一样。对于那些希望深入了解自然历史的人来说,原件将永远存在。数字翼可以邀请大多数博物馆从未梦想过的来源的好奇心和问题。

在我作为生物学家的早期,我受到普通研究人员担忧的困扰。我的所有数据都会发生什么?还有谁能看到它?经过数年,数十年,数百年的研究,科学家们再也不知道我们的基础研究可以带来什么样的新生命。我想起了数百名过去科学家,他们不知不觉地为我自己的研究贡献了数据,跨越了将近130年和六大洲的探险队。

通过数字化他们早期的努力,我和我的同事确保他们能够覆盖广泛的受众,远远超出他们想象的范围。任何一个博物馆的墙壁和限制都不再限制任何标本的潜在影响。相反,博物馆可以向数字化未来敞开大门,邀请任何人进入自然世界的无尽奇迹。

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