迄今最小的恐龙什么样？ 做个CT就知道了

作者：黎刚（中国科学院高能物理研究所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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从这块琥珀里你能看到什么？

包埋着眼齿鸟化石的缅北琥珀（版权：邢立达）

科学家从中“看”到了史上最小的恐龙。

2020年3月12日出版的《自然》报道，中美科学家团队从包埋在缅甸白垩纪琥珀中发现了目前已知最小恐龙，在恐龙和古鸟类演化研究上有重要意义。

他们到底是怎么看到的？给琥珀拍了一种特殊的CT。

用什么给琥珀化石拍CT？

此次研究的化石为一个包裹在琥珀中的完整动物头骨，同位素测年发现该地区的琥珀形成于白垩纪中期，约9900万年前。该化石包埋在透明琥珀中，头骨壁很薄但头骨的体积相对很大，且头骨上包覆着皮和毛。

研究者遇到的第一个挑战是如何无损、高密度灵敏度、高分辨率且大视场的获得头骨的3D完整信息。同步辐射硬X射线（SRX）相位衬度成像在其中发挥了重要作用。

同步辐射是高能带电粒子在磁场中沿弧形轨道做回旋运动时沿切线方向放出的电磁辐射, 它覆盖了从远红外到硬 X射线范围的宽广波段。通过特殊的光路系统可将同步辐射光中的硬 X射线提取出来，应用于各种研究，比如化石标本的三维无损成像。

过去，研究琥珀化石的传统方法多是使用光学显微镜，或切片后用扫描电镜观察，这些方法不仅破坏了化石标本，还难以用于不透明的琥珀标本。而SRX成像能快速地从大量不透明琥珀标本中找寻化石并进行三维显微成像，大大提高了琥珀化石无损三维成像的效率。2016年，用这个技术，科学家在琥珀中发现了第一件恐龙标本——一条长约3.85厘米、长满毛的尾巴。

2016年发现的琥珀化石SRX相衬CT的结果（图片来源：中科院北京分院）

这一次，SRX相衬成像又立功了。

中科院高能物理研究所黎刚研究员课题组在同步辐射硬X射线（SRX）成像方法学发展、高性能探测器等核心装备研制和SRX成像的古生物应用方面有多年积累。他们针对该化石特点，根据以往研究经验，制定了最优的SRX相位衬度CT扫描方案。用高能单色化X射线和高效率探测器尽量减小辐射损伤实现无损成像；用相位衬度成像和高传函探测器实现高灵敏度成像；用高分辨率探测器、偏轴CT扫描和图像拼接等技术实现高分辨率且大视场的3D成像。

黎刚课题组利用自研的高传函高效率硬X射线间接成像探测器在上海光源硬X射线成像线站（SSRF-BL13W），按照制定的扫描方案，对该化石进行了6段SRX相衬CT扫描，其中3段偏轴扫描和3段普通扫描，共获得了超过24000张的SRX相衬CT投影图，原始数据超过190GB。偏轴扫描在不降低空间分辨率的前提下，可以把CT扫描的体积在水平方向扩大约4倍。史上最小恐龙：14毫米头部长了100颗牙齿

得到原始数据后，他们要解决的第二个挑战是如何把2万多张投影图高精度的拼接起来并分离出头骨的图像。

图像拼接之前，首先要消除转轴摆动、样品移动误差、入射光强度变化等误差因素。经过相位恢复、图像拼接、断层重建和数据压缩等步骤，他们得到了该头骨的高分辨率的完整的断层图像，大小超过90GB。3D数据的虚拟分割是获得头骨结构之前的最后任务。有些地方头骨上覆盖着皮毛，二者密度差异太小，无法用软件自动分割，需要手动分割。最紧张时，黎刚研究员动员了课题组的所有青年职工和研究生都参与到数据的手动分割工作中来。此外，数据中有些细节可能是伪影，需要非常小心的甄别。数据处理花费的时间比CT扫描的时间要长上百倍。

眼齿鸟艺术复原图（作者：韩志信）

在利用SRX相衬CT获得头骨的高质量3D结构后，团队中的古生物学家发现：该头骨长14毫米，喙部尖锐，牙齿密集和眼眶巨大。上颌每侧有18–23颗牙齿，齿骨每侧有29–30颗牙齿，全部牙齿加起来约100颗。该化石的骨骼特征有的地方像恐龙，有的地方又像高级鸟类。但由于脊椎动物中，只有鸟类同时拥有尖锐的喙部和巨大的眼眶，所以将其归属到鸟类，属于新属新种，命名为宽娅眼齿鸟。

从头骨尺寸来看，眼齿鸟比现生最小的鸟类--蜂鸟还要短，是迄今已经发现的最小的古鸟类，同时也是已发现的最小恐龙（广义的恐龙包括鸟类）。小型化动物必须面对很多新挑战，小型化通常伴随着牙齿脱落和眼部增大。然而，尽管该标本尺寸很小，但其牙齿比其他所有古鸟类都多。此外，眼齿鸟眼部匙形巩膜小骨十分少见，和鸟类简单的方形巩膜小骨很不同。眼齿鸟颧骨弯曲，眼睛从头部侧面凸出，在现生动物中从未发现。它眼睛的工作原理令人费解。眼齿鸟在系统发育树上介于晚侏罗世原始始祖鸟（Archaeopteryx）和早白垩世热河鸟（Jeholornis）之间。

眼齿鸟及其生存环境的想象图（作者：韩志信）

结语

总之，眼齿鸟向我们展现了一类新的身体结构以及它所代表的生态学，也表明琥珀沉积物有保存最小体型脊椎动物的潜力。本项研究也展示了同步辐射硬X射线相位衬度CT在揭示古生物化石细节和整体结构上的强大能力。本研究所用各种装备均是我国自行研制，所有数据重建和分析也均由我国研究团队独立完成。

本项研究由中国地质大学（北京）邢立达副教授、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所邹晶梅（外籍）研究员、中国科学院高能物理所多学科中心黎刚研究员、美国洛杉矶自然史博物馆拉尔斯·施米茨博士和路易斯·恰普教授、加拿大萨斯喀彻温省皇家博物馆瑞安·麦凯勒教授、中国科学院北京综合研究中心易栖如博士等学者共同完成。