中国の学者が3Dプリントで「先史時代の魚」の秘密を解明、最も薄い化石は0.1mm、30年間誰も触れようとしなかった

研究者らが板皮類の化石を披露。「3Dプリントがこんな風に使えるとは思いもしませんでした」。最近、2人の中国人研究者が率いる中国・オーストラリア合同研究チームが、初めて3Dプリント技術を使い、オーストラリアで発見された4億年前の板皮類の化石の詳細な研究を行った。研究を担当する中国科学院古脊椎動物学・古人類学研究所の准研究員、陸静氏は北京青年報に対し、元の化石は非常に壊れやすく、最も薄い部分でも0.1ミリ以下だったと語った。3Dプリント技術により、研究者はこの種の原始的な魚の骨格形態、神経血管の方向、関節運動能力などの情報を直感的に理解できるという。彼女は、板皮類は生物進化の過程において人類の「祖先」である可能性が高いと紹介しました。板皮類についてさらに詳しく知ることは、人類の起源と人体構造の謎を解明するのに役立つでしょう。

4億年前の化石は「紙のように薄い」
30年間誰もそれを要求しなかった

過去1年間、ルー・ジンさんはピンポン玉ほどの大きさの化石に力を注いできました。中国科学院古脊椎動物学・古人類学研究所の准研究員である陸静氏は、長年にわたり初期脊椎動物の化石の研究に従事し、数え切れないほどの化石を扱ってきましたが、彼の目の前にある約4億年前の化石は、やはり極めて特別なものに思えます。

「これは板皮類の頭の化石です。とても小さいです。魚全体でも、私たちがよく鍋で食べる黄色いニベくらいの大きさです。しかし、普通の化石と比べると、この化石は非常によく保存されており、専門用語で特異埋葬と呼ばれています。4億年が経過しましたが、魚の頭の骨は生きているときと基本的に同じ位置にあります。よく見ると、魚の頭の中に血管や神経が通る管も見えます。これらの微細構造は対称的に分布しており、変形していません。」と陸静氏は語った。

日々の研究を通じて、陸静さんは初期の魚類の化石の構造に精通してきたが、この化石に一度も触れたことがないと認めている。「この化石は30年前にオーストラリアの首都キャンベラ近郊で発見されました。現在はオーストラリア国立大学が所有しています。この化石標本に触れる資格があるのは、同大学のギャビン・ヤング博士だけです。」陸静氏は、これはオーストラリア国立大学が「けち」だからではなく、化石があまりにも貴重で壊れやすいためだと述べた。「この化石の最も薄い部分は0.1mm未満で、紙一枚の厚さにも満たない。発見されてから30年以上経っているのに、誰もこの標本に「触れる」勇気を持っていない。」

しかし昨年から、3Dプリント技術を使って化石を「生き生きと」させ、いつでも触ったり、操作したり、研究したりできるようにした。

ルー・ジン氏は、自分ともう一人の中国出身の博士課程の学生、フー・ユジ氏がマイクロCT技術を使って化石の詳細なスキャンを行ったと語った。「これは魚の頭の骨格の化石に過ぎないが、実際には12以上の部分に分けられ、それぞれの部分には1つまたは複数の異なる構造が含まれている可能性がある。高精度のCTスキャンの後、何千もの連続したスライスが仮想的に生成される。」

その後、Lu Jing 氏はこれらのスライスに基づいて段階的に 3D モデルを「製作」し始めました。

プラコデルモイデスは「人類の祖先」かもしれない
3Dプリントで血管構造を分析できる

陸静氏は、かつては魚の化石を研究するには一日中顕微鏡の前に座る必要があったが、今では顕微鏡を使うだけでなく、コンピューターの前に座り、少なくとも1日10時間かけてスキャンした切片を一つずつ「修復」し、化石の構造を再構築する必要があると述べた。このプロセスは簡単ではありません。標本をスキャンすると何千ものスライスが生成されることが多く、化石の内部構造の境界が明確でないことが多く、境界を特定するにはさまざまな方向からスライスを繰り返し観察する必要があるためです。これは困難で非常に退屈な作業です。「化石の中の2つの骨は、2枚の毛布のように一部が重なり合っていることがあります。数億年が経つと2つの部分の隙間は非常に小さくなり、正確な判断を下すには繰り返しスライスを比較する必要があります。脳腔内の血管がどのように走っているかを調べるためだけに、丸一日を費やしたこともあります。」

結局、3か月以上を費やした後、陸静氏と彼の同僚たちは、この4億年前の装甲魚の頭部の予備的な3Dモデルを完成させた。「当時、3Dプリント技術が流行っていたので、3Dプリントを使ってモデルを6倍に拡大してプリントしてみました。予想外に、効果は非常に良好でした。」陸静氏は、これが3Dプリント技術を使った古代魚の研究として世界で初めて公表されたものだと語った。

3Dプリントされた化石モデルを使用することで、Lu Jing氏は、積み木で遊ぶように、この4億年前の魚の頭蓋骨のさまざまな部分を分解して組み立てることができ、さらに魚の仮想「解剖」を実行して、骨の間の構造、さらには血管や神経の配置を解明することもできます。「例えば、魚の上顎と下顎がどのくらい広く開くかは、通常は推測することしかできません。しかし、この化石の3Dプリントモデルを使えば、関節の可動範囲を直接確認し、魚の上顎と下顎の動きをシミュレートすることができます。これにより、4億年前の魚について、より直感的に多くの情報を得ることができます。」

さらに重要なことは、この情報は人類自身と私たちの体の構造がどのように進化してきたかを明らかにする可能性があるということです。生命科学は、人類が古代の類人猿から生まれ、古代の類人猿がさらに古代の祖先から進化したことを証明しました。人間の「家系」は、水中の古代の魚にまで一歩ずつ遡ることができます。陸静氏は、サメ、コイ、カエル、スズメ、猫、犬から人間まで、私たちがよく知っている動物のほとんどは、背骨と顎を持ち、進化の過程で同じカテゴリーに属していると紹介した。近年の一連の研究により、学術名が「有顎脊椎動物」であるこの大きなカテゴリーは、4億年以上前に装甲魚類の分岐から進化したことが明らかになった。そのため、ある段階の人類の祖先はかつてこの3Dプリントされた化石の装甲魚に似た姿をしており、人類の口も装甲魚の上顎と下顎から進化したということになります。この魚を「解剖」することは、実は私たちの遠い祖先の考古学的な発見であり、その上顎と下顎の構造を研究することは、人間がなぜ食べる、呼吸する、話すための口を持っているのかという疑問に答えることです。

関連技術は国内の
将来博物館に入るのを楽しみにしています

陸静氏は、まだ化石の研究を続けていると述べた。「軟骨は一般的に化石化が難しいですが、この化石の内部の軟骨構造も完全に保存されており、装甲魚の進化についてより多くの情報が得られます。また、脳腔についてもさらに研究し、コンピューター上で脳と関連する神経と血管のモデルを再構築し、詳細な「解剖」のためにより正確な化石モデルを作成する予定です。」

同時に、他の装甲魚類の化石の3Dプリント計画も開始されており、将来的には科学者が直感的な研究を行えるモデルがさらに増える可能性がある。陸静氏によると、以前オーストラリア国立大学がオープンデーイベントを開催し、地元の小学生を学校に招待して最新の科学研究の成果を見学したことがあるという。子供たちは、分解・組み立て可能なこの3Dプリントの装甲魚類の化石模型を見て、とても驚いたという。彼らの驚いた表情は、陸静の心を深く打った。

彼女は、3Dプリント技術を古生物学研究にどのように応用するかについて、すでに国内の専門家に伝えていると語った。将来、彼女はこの技術を中国の博物館に導入し、人々が古代の化石が実際にどのようなものか直感的に体験できるようにしたいと考えています。「想像してみてください。以前はガラスのケースに入れられていて、遠くからしか見ることができませんでしたが、子どもたちがこれらの化石に触れたり、組み立てたり、いじったりできるようになります。これは新しい認知体験をもたらし、古代の生命と古生物学に対するすべての人の興味をさらに刺激するでしょう。」

出典：中国青年報

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