化石是珍贵的过去档案,保存了几千至数亿年前生物的细节。 研究化石可以帮助我们理解物种随时间演变的过程,并窥探过去环境及气候的快照。 化石还可以揭示早已消失物种的饮食或迁徙模式,包括我们的祖先。
然而,当生物变成岩石时,辨别这些细节并非易事。 微计算机断层扫描(micro-CT)是一种常用的化石研究技术。 它被用于发现人类最早的骨癌证据,研究早期人类的脑部压痕和内耳,研究非洲以外最古老的现代人类遗骸的牙齿等多个领域。
然而,我们的新研究在《放射性碳》期刊上发表,显示尽管微计算机断层扫描被广泛认为是非破坏性的,但它实际上可能会影响化石的保存,并抹去一些重要信息。
保护珍贵标本
化石本质上是稀有而脆弱的。 科学家不断评估如何平衡对化石的影响与研究它们的必要性。 古生物学家和古人类学家在分析化石时,期望尽量减少潜在的损害。 我们希望为未来的世代尽可能保存化石,而技术在这方面可以提供巨大帮助。
微计算机断层扫描的工作原理类似于医生使用的医疗CT扫描,用于探查人体内部。 然而,它在更小的规模和更高的分辨率下工作,能够很好地应用于如化石这样的微小物体。
通过微CT,科学家可以获取高分辨率的三维图像,并在不需要切开化石的情况下访问其内部结构。 这些扫描还允许创建化石的虚拟副本,让全球其他科学家访问。 这样显著降低了损坏的风险,因为扫描的化石可以安全存放在博物馆收藏中。
微CT非常受欢迎且被日常使用。 科学界普遍认为它是“非破坏性”的,因为它不会造成任何可见的损伤,但它仍有可能影响化石。
微CT成像是如何工作的?
微CT扫描使用X射线和计算机软件,生成高分辨率图像,并详细重建化石标本。 古生物学家通常使用商业扫描仪进行扫描,但先进的研究可能会使用在同步辐射装置生成的强大X射线束。
X射线穿过标本,并被另一侧的探测器捕获。 这允许对它们经过的物质进行非常精细的理解,特别是密度,这为内部结构的形状、组织成分或任何污染提供线索。
扫描产生一系列从各个角度的二维图像。 然后,计算机软件被用于“清理”这些高分辨率图像,并将其组装为三维形状——化石及其内部结构的虚拟复制品。
但X射线并非无害
X射线属于电离辐射,意味着它们具有高能量水平,能够从原子中剥离电子(称为电离)。 在生物组织中,电离辐射可以损伤细胞和DNA,尽管损伤程度取决于暴露的持续时间和强度。 医学中使用的X射线和CT扫描通常风险非常低,因为尽可能减少对人体的暴露。
然而,尽管我们知道X射线对活细胞的影响,微CT成像对化石的潜在影响一直未被深度研究。
我们的研究发现了什么?
我们使用标准设置扫描了几种现代和化石动物的骨头和牙齿,并对扫描前后测量了它们的胶原蛋白含量。 胶原蛋白对许多分析目的很有用,例如通过放射性碳测年确定化石年龄,或稳定同位素分析法——一个用于推断灭绝物种饮食的方法。 化石中的胶原蛋白含量通常远低于现代标本,因为它会随着时间的推移而逐渐降解。
在比较我们测量的数据与来自同一标本的未扫描样本后,我们发现了两点。
首先,放射性碳年龄保持不变。 换句话说,微CT扫描不会影响放射性碳测年。这是好消息。
坏消息是我们确实观察到胶原蛋白含量显著下降。 也就是说,微CT扫描样本的胶原蛋白比扫描前的样本减少了约35%。 这表明,微CT成像对持有胶原蛋白痕迹的化石有不可忽视的影响。 虽然这在预期之中,但这种影响之前并未得到实验证实。
有可能一些化石样本在经过微CT扫描后,会缺乏足够的胶原蛋白。 这将使它们不适合进行一系列分析技术,包括放射性碳测年。
接下来该怎么做?
在之前的一项研究中,我们显示,微CT可以人为地“老化”化石,而后者通常使用电子自旋共振法进行测年,该方法常用于测定五万年以上的化石,超出了放射性碳方法的检出范围。
这项先前研究和我们的新工作表明,微CT扫描可能显著并不可逆转地改变化石及其所持有的信息。 尽管没有造成对化石的可见损伤,我们认为在这种情况下,该技术不应再被视为非破坏性的。
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