賈佳，高克勤

1.北京大學(xué)，地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871

2.山東科技大學(xué)，山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266590

3.中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所，中國(guó)科學(xué)院資源地層學(xué)與古地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008

數(shù)據(jù)庫(kù)（集）基本信息簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)庫(kù)（集）名稱 蠑螈亞目（兩棲類，有尾目）基干屬種干溝青龍?bào)⒐趋栏呔圈藽T掃描源數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)作者 賈佳、高克勤數(shù)據(jù)通信作者 賈佳（jia_jia@pku.edu.cn）數(shù)據(jù)時(shí)間范圍青龍?bào)⒒瘜游粚儆谕碣_世髫髻山組，U-Pb同位素測(cè)年顯示距今約（160.889±0.069）Ma～（160.254±0.045）Ma[1]；化石標(biāo)本采集于2009年夏，并于2015年春掃描。

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引 言

在傳統(tǒng)古生物學(xué)研究中，當(dāng)把一件標(biāo)本從野外運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室內(nèi)，研究者為了研究其形態(tài)特征，通常會(huì)在顯微鏡下首先對(duì)其進(jìn)行機(jī)械修理或者酸處理，以去除其圍巖從而展露出化石的真實(shí)面貌[2]。然而這些修理手段很難完整地揭示出化石本身的三維形態(tài)特征，反而常常會(huì)對(duì)標(biāo)本造成損壞，帶來(lái)不可挽回的損失。如若需要觀察化石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在標(biāo)本充足的前提下，研究者通常選擇切片技術(shù)（磨片法、揭片法）來(lái)獲取標(biāo)本的部分截面，從而進(jìn)行觀察[3]。但是這些方法并不能實(shí)現(xiàn)完全的連續(xù)切片，致使無(wú)法完整地觀察化石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

高精度計(jì)算機(jī)斷層掃描（high-resolution X-ray tomography，high-resolution micro-CT或μCT）是一種利用高能 X光射線在短時(shí)間內(nèi)獲得物體內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的技術(shù)。與上述傳統(tǒng)手段相比，該技術(shù)以其高精度、高效率和無(wú)損探測(cè)等優(yōu)勢(shì)迅速獲得了古生物研究人員的青睞，并廣泛應(yīng)用在許多門(mén)類的關(guān)鍵過(guò)渡屬種中，如肉鰭魚(yú)類Eusthenopteron[4-5]，低等四足動(dòng)物Ichthyostega[6]，原始鋤足蟾類Prospea[7]，原始蛇類Dinilysia[8]，原始翼龍類Liaodactylus[9]，霸王龍類恐龍Alioramus[10]，早期鳥(niǎo)類孔子鳥(niǎo)[11]以及原始哺乳類Vilevolodon[12]等。基于μCT掃描所得到的虛擬模型極大地方便了研究者對(duì)標(biāo)本的測(cè)量和觀察，同時(shí)也擴(kuò)展了對(duì)生物本身的結(jié)構(gòu)功能學(xué)和生物力學(xué)的研究，如對(duì)低等四足動(dòng)物Ichthyostega行走能力的研究[6]。除了輔助科學(xué)研究以外，μCT掃描所生成的虛擬模型還可以通過(guò)3D打印機(jī)制成實(shí)體模型，用于博物館展覽、公眾科普等。

本文所提供的原始蠑螈類干溝青龍?bào)ⅲ≦inglongtritongangouensis）的骨骼μCT三維源數(shù)據(jù)集便是μCT的眾多應(yīng)用實(shí)例之一。蠑螈類（有尾目）是一類有尾兩棲動(dòng)物，包括隱鰓鯢亞目（2科，11屬，70種）、蠑螈亞目（7科，55屬，633種）和鰻螈亞目（1科，2屬，4種），它們與蛙類和蚓螈類共同構(gòu)成滑體兩棲動(dòng)物亞綱[13]。蠑螈類是一支古老的演化支系，分子生物學(xué)數(shù)據(jù)顯示該支系起源于約262.5～357.0 Ma之間（如[14-15]）。自上世紀(jì)90年代末以來(lái)，中國(guó)河北北部、遼寧西部和內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部的中生代地層出產(chǎn)了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的蠑螈類標(biāo)本，為了解蠑螈類在中生代時(shí)期的演化提供了珍貴的化石材料。這些化石標(biāo)本不僅數(shù)目眾多，而且保存完整，同時(shí)分類多樣性也非常豐富。目前已識(shí)別出隱鰓鯢亞目的8屬10種和蠑螈亞目的2屬2種[16-18]。本文對(duì)青龍?bào)⒍嗉?biāo)本的高精度斷層掃描和3D打印是在我國(guó)化石蠑螈類研究中的首次嘗試[17]。與以往研究相比，該項(xiàng)研究提供了更為詳盡的特征描述，揭示了這一原始蠑螈物種的多個(gè)獨(dú)特的骨骼結(jié)構(gòu)，為更好地理解蠑螈亞目的早期特征演化提供了信息[17]。

共享高質(zhì)量的μCT掃描源數(shù)據(jù)將為獲取某些重要標(biāo)本的虛擬模型提供便利，促進(jìn)科研合作。我們?cè)谘芯窟^(guò)程中發(fā)現(xiàn)多個(gè)可用共享平臺(tái)，如Dryad、DigiMorph等已經(jīng)提供了少數(shù)標(biāo)本的源數(shù)據(jù)共享和無(wú)償下載功能，但是共享力度仍然不足。因此，本文提供了我國(guó)晚侏羅世髫髻山組產(chǎn)出的干溝青龍?bào)⒌恼蜆?biāo)本（PKUP V0226）和2件歸入標(biāo)本（PKUP V0228、PKUP V0254）的μCT掃描源數(shù)據(jù)，正型標(biāo)本的上半身骨骼可用于3D打印的stl文件以及3件標(biāo)本的復(fù)原圖和相關(guān)視頻。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 獲取數(shù)據(jù)

在進(jìn)行掃描以前，首先需要對(duì)標(biāo)本進(jìn)行初步的鏡下機(jī)械修理，使得標(biāo)本能夠更好地固定在掃描儀內(nèi)部的載物臺(tái)上，進(jìn)而獲得較高的分辨率。2009年的野外工作共發(fā)現(xiàn)干溝青龍?bào)?biāo)本46件[17]。所有標(biāo)本的修理工作在北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院完成。對(duì)正型標(biāo)本PKUP V0226和歸入標(biāo)本PKUP V0228、PKUP V0254的掃描工作在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）科學(xué)研究院工業(yè)微焦CT實(shí)驗(yàn)室的掃描儀（Nikon XT H 320 LC）上操作完成。后續(xù)對(duì)標(biāo)本進(jìn)行的圖像分割（segmentation）和三維重建（3D reconstruction）在該實(shí)驗(yàn)室工作站上利用VG Studio Max 2.2（Volume Graphics，Heidelberg，Germany）軟件完成。盡管該軟件應(yīng)用廣泛，但并非僅此一類軟件可供處理圖像堆棧（image stack），讀者可參照[19]關(guān)于其他付費(fèi)或免費(fèi)軟件的相關(guān)介紹。

1.1.1 標(biāo)本預(yù)處理和μCT掃描

干溝青龍?bào)⒌恼蜆?biāo)本PKUP V0226及其他2件歸入標(biāo)本PKUP V0228、PKUP V0254在野外采集過(guò)程中斷裂為大小不一的幾塊。在解剖顯微鏡下，使用碳鋼針小心去除每一塊標(biāo)本覆蓋在骨骼上的圍巖。待骨架暴露完全后，使用鋸條或小型齒輪機(jī)沿骨架的長(zhǎng)軸將多余的圍巖去除，以減少標(biāo)本整體的寬度，從而提高掃描成像效果。將清漆與丙酮溶液的混合液用于化石標(biāo)本加固，以免骨骼碎裂脫落；之后，使用蘇打粉與 2-氰基丙烯酸乙酯將同一標(biāo)本碎裂的部分粘連在一起。

將粘連好的標(biāo)本固定在掃描儀的載物臺(tái)上，并保持整體骨骼的長(zhǎng)軸方向與載物臺(tái)垂直。通過(guò)電腦調(diào)整載物臺(tái)與X光射線源的距離，使標(biāo)本在X光接收器上的投影盡量大而且完整；旋轉(zhuǎn)載物臺(tái) 360°以確?；瘶?biāo)本在每個(gè)角度上的投影都出現(xiàn)在X光接收器上。由于不同標(biāo)本厚度不一，調(diào)節(jié)電流與電壓以強(qiáng)化X光射線的穿透力，從而提高化石與圍巖之間的對(duì)比度。

1.1.2 數(shù)據(jù)生成

在掃描青龍?bào)?biāo)本的過(guò)程中，載物臺(tái)每旋轉(zhuǎn)0.11457670273711°，X光接收器采集一張包含化石標(biāo)本灰度值（gray value）的二維X光圖像（tiff格式）。掃描過(guò)程中，每件標(biāo)本共生成3 142張tiff格式二維圖像和一個(gè)xtekct格式的參數(shù)文本文件。此后利用Nikon掃描儀自帶的3D Pro軟件讀取3 142張tiff文件，通過(guò)矯正在掃描過(guò)程中可能出現(xiàn)的標(biāo)本晃動(dòng)或X光射線硬化等造成的標(biāo)本邊緣模糊現(xiàn)象，進(jìn)而生成垂直于標(biāo)本長(zhǎng)軸方向（Z軸）的1 998張16位 tiff格式的圖像堆棧，即本文所提供的掃描源數(shù)據(jù)（PKUPV0226rawdata.zip，PKUPV0228rawdata.zip，PKUPV0254rawdata.zip），流程見(jiàn)圖1。

圖1 干溝青龍?bào)?biāo)本修理、掃描及數(shù)據(jù)處理流程示意圖

1.2 處理數(shù)據(jù)

掃描數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，將1 998張16位tiff格式圖像堆棧導(dǎo)入VG Studio Max 2.2軟件，通過(guò)弱化背景和強(qiáng)化化石骨骼的灰度值，從而提高二者在二維截屏面上的對(duì)比度。完成源數(shù)據(jù)的導(dǎo)入之后，VG Studio Max軟件分為4個(gè)窗口展示該標(biāo)本，其中3個(gè)窗口為相互垂直的3個(gè)截平面（X-Y軸，X-Z軸和Y-Z軸），另一窗口顯示標(biāo)本的三維畫(huà)面。在某一截平面上，利用軟件的畫(huà)筆工具將特定的骨骼輪廓一幀一幀地畫(huà)出，生成感興趣區(qū)（region of interest，簡(jiǎn)稱ROI；圖2）。將ROI提取即可生成某一骨骼的三維虛擬模型。倘若需要對(duì)某一結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D打印，只需將該三維模型進(jìn)行表面測(cè)定，導(dǎo)出stl格式的文件即可，例如本文提供的青龍?bào)⒄蜆?biāo)本上半身骨骼模型的stl文件（PKUPV0226stl.zip）。此外，本文將青龍?bào)⒌?件標(biāo)本分別進(jìn)行了二維截面的圖像分割，揭示出了化石標(biāo)本的完整結(jié)構(gòu)，并將骨骼的背、腹面視圖保存為高分辨率的tiff格式圖片和avi格式的視頻（pics.zip和videos.zip）。

圖2 干溝青龍?bào)⒄蜆?biāo)本頭骨渲染圖及感興趣區(qū)（ROI）的建立

2 數(shù)據(jù)樣本描述

干溝青龍?bào)⒌恼蜆?biāo)本（PKUP V0226）和2件歸入標(biāo)本（PKUP V0228、PKUP V0254）均為成年個(gè)體（圖3～4）。其中PKUP V0226的頭長(zhǎng)（前頜骨至外枕骨后緣距離）為45.11 mm，寬（頭骨與兩側(cè)下頜關(guān)節(jié)之間最大距離）為40.35 mm，吻臀距（前頜骨至坐骨后緣距離）為155.71 mm；PKUP V0228的頭長(zhǎng)40.79 mm，寬35.78 mm，吻臀距148.47 mm；PKUP V0254的頭長(zhǎng)46.18 mm，寬44.23 mm，該標(biāo)本軀干后部保存不完整無(wú)法獲得吻臀距。其中，正型標(biāo)本為腹面向上保存，其余兩件為背面向上保存（圖 3）。通過(guò)對(duì)標(biāo)本的觀察發(fā)現(xiàn)干溝青龍?bào)⒕哂须p頭肋骨（bicapitate ribs），而且下頜中的隅骨（angular）與前關(guān)節(jié)骨（prearticular）愈合，屬于有尾目中蠑螈亞目的典型特征。分支分析研究發(fā)現(xiàn)該屬種與此前發(fā)現(xiàn)的建平北燕螈（Beiyanerpetonjianpingensis）[20]構(gòu)成姐妹群，共同位于蠑螈亞目的最基干位置[17]。

青龍?bào)⒌南到y(tǒng)分類信息如下：

兩棲綱 Amphibia Linnaeus, 1758

滑體兩棲亞綱 Lissamphibia Haeckel, 1866

有尾超目 Caudata Scopoli, 1777

有尾目 Urodela Duméril, 1806

蠑螈亞目 Salamandroidea Dunn, 1922

科未定 Family Incertae Sedis

干溝青龍?bào)inglongtritongangouensisJia and Gao, 2016

圖3 干溝青龍?bào)?件標(biāo)本照片

對(duì)青龍?bào)?3件標(biāo)本的高精度斷層掃描識(shí)別出了傳統(tǒng)鏡下機(jī)械修理所不能揭露的結(jié)構(gòu)特征。舉例來(lái)說(shuō)（圖2），紫色和橙色部分分別為頭骨背面的額骨（frontal）和頂骨（parietal），墨綠色部分為頭骨腭面的副蝶骨（parasphenoid），通過(guò)對(duì) μCT掃描的多個(gè)橫截面觀察，并未發(fā)現(xiàn)眶蝶骨（orbitosphenoid）。在大部分現(xiàn)在存活的蠑螈類中，眶蝶骨作為腦顱的一部分，起到保護(hù)軟體腦顱和支撐頭骨頂部的作用。該骨僅在較為進(jìn)步的洞螈科（Proteidae）和無(wú)肺螈科（Plethodontidae）Eurycea屬的個(gè)別種類中缺失?？舻窃谇帻?bào)⑺幸褣呙铇?biāo)本中的缺失現(xiàn)象說(shuō)明這一特征在蠑螈亞目演化初期就已有出現(xiàn)，而在洞螈科以及Eurycea中的缺失很有可能是由于同塑演化（homoplasy）導(dǎo)致的。

圖4 干溝青龍?bào)w入標(biāo)本PKUP V0228的μCT重建圖

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

如前所述，青龍?bào)⒐趋栏呔圈藽T掃描源數(shù)據(jù)集是使用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）科學(xué)研究院工業(yè)微焦CT實(shí)驗(yàn)室的掃描儀（Nikon XT H 320 LC）完成。該掃描儀的X光接收器的分辨率為2000×2000像素。對(duì)不同標(biāo)本的掃描均未使用任何濾片，其電壓、電流、分辨率匯總?cè)绫?，其余參數(shù)見(jiàn)數(shù)據(jù)集中的xtekct參數(shù)文本文件。

表1 干溝青龍?bào)ⅲ≦inglongtriton gangouensis）標(biāo)本高精度μCT掃描參數(shù)表

干溝青龍?bào)⒄蜆?biāo)本的上半身骨骼模型stl格式文件，是研究者基于對(duì)化石材料的圖像分割和光滑處理后生成的。對(duì)每一塊骨骼的原始ROI使用光滑力度（smooth strength）為1，深度（depth）為8位的光滑處理，之后提取成體積文件并做表面測(cè)定再導(dǎo)出成stl格式文件。

3件標(biāo)本的視頻文件均由VG Studio Max 2.2的動(dòng)畫(huà)（Animation）選項(xiàng)中的關(guān)鍵幀（key frame）完成，視頻導(dǎo)出時(shí)無(wú)任何壓縮處理。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

與傳統(tǒng)的連續(xù)切片技術(shù)以及耗時(shí)耗力的化石修理相比，高精度X光掃描可以無(wú)損而且高效揭示出化石標(biāo)本內(nèi)部結(jié)構(gòu)，極大方便了科研人員對(duì)標(biāo)本的觀察。對(duì)青龍?bào)⒐趋赖母呔圈藽T掃描是我國(guó)中生代蠑螈類研究中的首次嘗試。包含掃描源數(shù)據(jù)和成果圖片及視頻的數(shù)據(jù)集的共享將為研究干溝青龍?bào)⒌墓趋捞卣魈峁┩暾男畔?，為日后μCT掃描在蠑螈類研究中的應(yīng)用提供參照。干溝青龍?bào)⒄蜆?biāo)本上半身骨骼模型stl文件的共享將為獲取3D打印青龍?bào)⒌膶?shí)體模型提供便利。