فناوری سه بعدی، اسکن سه بعدی، و چاپ سه بعدی در خدمت دیرینه شناسی

تصویر: مدلی سه بعدی از جمجمه Scalopocynodon gracilis  که اصل آن مدت ها قبل از دست رفته است. واحد مطالعات تکاملی، دانشگاه ویتس
 
در آغاز دهه 1960، یک دیرینه شناس آفریقای جنوبی مجموعه ای از کارهای بلند پروازانه را آغاز کرد. دکتر A.S. برینک می خواست آناتومی و تکامل اجداد انسان که قبل از پستانداران بوده اند، یعنی تراپسیدها، را بهتر بشناسد.
 
برینک با جمجمه های تراپسید یافت شده در منطقه کارو آفریقای جنوبی کار می کرد. او جمجمه ها را در فواصل باریک قاعده مند سنگ زنی می کرد (و با سنگ سایش، برش های نازک به دست می آورد) تا آناتومی جمجمه داخلی آنها را ارزیابی کند. این تکنیک که به عنوان سنگ زنی سریالی شناخته می شود، معمولاً در آن زمان مورد استفاده قرار می گرفت.
 بزرگ ترین پیشرفت زمانی رخ می دهد که دیرینه شناسان توانایی ساخت ماشین های قابل حمل را برای ورود به میدان و اسکن فسیل ها، که هنوز زیر لایه های سنگی مدفون هستند، برای تعیین وسعت کامل فسیل قبل از حفاری داشته باشند.هنگامی که به پایان روند کار یکی از جمجمه ها نزدیک شد، برینک متوجه شد که یک نمونه منحصر به فرد را کشف کرده بوده است. جمجمه نمایانگر یک هولوتایپ بود، که نمونه منفردی است که در تعریف هر گونه جدیدی استفاده می شود (هولوتایپ، یک نمونه واحد است که توصیف و نام یک گونه جدید بر اساس آن است). اما دیگر دیر شده بود.
 
بیش از 50 سال بعد، ما در میان گروهی از دانشمندان بودیم که راه برینک را دنبال می کردند. وظیفه ما باز سازی این نمونه منحصر به فرد بود. فناوری در نیم قرن اخیر بسیار پیشرفت کرده است، از این رو ما توانستیم از ارائه های سه بعدی و چاپ سه بعدی استفاده کنیم - و به این ترتیب یکی از اجداد پستاندار ما متولد شد.
 

تکنیک های تاریخی

آفریقای جنوبی مکان خوبی برای کارهای برینک بود. منطقه کارو این کشور دارای انبوهی از فسیل های تارپسید است و این امر آن جا را به مکانی مهم برای مطالعه نسب پستانداران تبدیل کرده است.
 این تکنیک می تواند برای مدل سازی استخوان های واقعی و بافت های دیگر مانند جسدهایی که در یخ یا باتلاق حفظ شده اند مورد استفاده قرار گیرد.برینک اولین دیرینه شناس نبود که از سنگ زنی سریالی (یا serial grinding) استفاده می کرد. این تکنیک در آغاز قرن بیستم ظاهر شد. پیش از آن دانشمندان باید منتظر کشف قالب هایی از ساختارهای داخلی که به طور طبیعی حفظ شده بودند می ماندند، مانند قالب "مغز فسیلی" کودکTaung ، Australopithecus africanus . یا این که مجبور بودند فسیل ها را شکسته و باز کنند.
 
با معرفی سنگ زنی سریالی، این روش تبدیل شد به تنها راه تماماً کنترل شده برای دسترسی به "داخل" فسیل ها. تراپسیدهای آفریقای جنوبی به دلیل فراوانی، از جمله اولین فسیل هایی بودند که با استفاده از این رویکرد انقلابی جدید مورد مطالعه قرار گرفتند. متأسفانه ، فراوانی آنها، وضعیتی نفرین شده از کار در آمد.
 

تخریب تصادفی

در سال 1961، دکتر برینک مطالعه سنگ زنی سریالی جمجمه ای را که به خوبی حفظ شده بود، آغاز کرد. در این مرحله او فکر می کرد که نمونه متعلق به یک نوع رایج از تراپسیدها است.
 
اما در طی این فرآیند، برش ها، ساختارهایی تشریحی را نشان دادند که نشان می داد نمونه ممکن است در واقع گونه جدیدی از تراپسیدهای فسیلی باشد که قبلاً برای علم ناشناخته بوده است. آن وقت برای نجات فسیل خیلی دیر شده بود: قبلاً عمدتاً سنگ زنی شده بود. برینک سعی کرد با توصیف جامع و تهیه نقشه های بسیار دقیق از نمونه، جبران کند. او نام آن را Scalopocynodon gracilis گذاشت.
 دانشمندان هنوز باید ابتدا نمونه های اولیه را با جزئیات مطالعه کنند و سپس با استفاده از سی تی اسکن و چاپ سه بعدی تفسیر کنند.در جانور شناسی، تعیین نمونه های نوع، مهم ترین مرحله در هنگام نام گذاری گونه ای جدید در دیرینه شناسی است. این نمونه ی نوع، که هولوتایپ نامیده می شود، به عنوان مرجع تشریحی برای کارهای مقایسه ای آینده عمل می کند. یک گونه جدید بدون هولوتایپ ثبت نمی شود. بنا بر این این نمونه سنگ زنی شده از اهمیت ویژه ای برخوردار بود: این، هولوتایپ DScalopocynodon gracilis  را تشکیل می داد.
 
متأسفانه این قطعه ارزشمند و غیر قابل جایگزین از میراث آفریقای جنوبی و شاهدی از تکامل تراپسیدهای قبل از پستانداران، از بین رفت. طنز ماجرا این جا است که این نابودی توسط مؤلف این گونه انجام شده بود.
 
Scalopocynodon، مرده و فراموش شده در نظر گرفته شد - تا سال 2016.
 

باز سازی جد ما به صورت سه بعدی

 
تصویر: مؤسسه مطالعات تکاملی، دانشگاه ویتس
 
آن وقت بود که تیمی از مؤسسه مطالعات تکاملی در دانشگاه ویتان واترساند ژوهانسبورگ برخی از ترسیم های دکتر برینک از Scalopocynodon gracilis را از سال 1961 بازیابی کردند. این ترسیم ها نشان دهنده هر قسمت نازک سنگ زنی شده توسط برینک است. جزئیات آنها فرصتی بی سابقه برای باز سازی مجازی نمونه ای از Scalopocynodon gracilis  که مدت ها قبل از دست رفته بود را در اختیار ما قرار داد.
 با استفاده از اسکنرهای میکرو سی تی با وضوح بالا و سنکروترون ها [شتاب دهنده های ذرات]، می توانیم هر گوشه و کناری از فسیل را تا سلول ها و ساختارهای بافتی جداگانه مورد بررسی قرار دهیم بدون این که خطر آسیب زدن به نمونه را داشته باشیم.نقشه ها دیجیتالی شد. سپس، با استفاده از نرم افزار پیشرفته و فناوری مبتکرانه مبتنی بر رایانه، هر برش به صورت دیجیتالی در یک توده منفرد باز مونتاژ شد. این به ما اجازه داد تا یک مدل سه بعدی از جمجمه اصلی را باز سازی کنیم. پس از آن یک مدل فیزیکی Scalopocynodon به صورت سه بعدی چاپ شد تا توانسته باشیم باز آفرینی ای از یک باز سازی مربوط به حیات از این نمونه داشته باشیم.
 
تا جایی که ما می دانیم، این اولین بار است که از فناوری سه بعدی برای باز آفرینی و چاپ سه بعدی یک مهره دار فسیلی که به صورت سریالی سنگ زنی شده است استفاده می شود (اگر چه اغلب در دیرینه شناسی بی مهرگان از سنگ زنی سریالی استفاده می شود).
 
این یک ابتکار عالی برای حفاظت از میراث آفریقای جنوبی است. این تکنیک ها را می توان در مورد دیگر فسیل های از دست رفته با سنگ زنی سریالی، استفاده کرد.
 

نفس کشیدن یک زندگی جدید

جمجمه چاپ سه بعدی که همچنین به عنوان یک هولوتایپ عمل می کند، می تواند به دمیدن روح تازه ای در این نمونه مرموز کمک کند. تاکسونومیست ها اکنون می توانند آن را مطالعه کنند و روزی ممکن است بتوانند به طور قطعی بگویند که برینک درست گفته است: Scalopocynodon gracilis  واقعاً با سایر تراپسیدها متفاوت بوده است.
با استفاده از سیستم پخت لیزری - فرایندی که از لیزرهای قدرتمند برای ترکیب مواد با افزودن لایه های نازک افقی پلاستیک استفاده می کند - یک کپی سه بعدی دقیق از فسیل تهیه شد.

احیاء دایناسورها با فناوری سه بعدی

 
تصویر: اسکن دندان 380 میلیون ساله از کوسه فسیلی که در گوگو، واقع در غرب استرالیا، یافت شد، کانال های داخلی و سایر ویژگی ها را نشان می دهد. تیم سندن
 
بر اساس مقاله ای که در مجله Radiology منتشر شد، اکنون می توان نسخه های دقیقی از استخوان های فسیل شده را با استفاده از ترکیب اسکن توموگرافی کامپیوتری (CT) و چاپگرهای سه بعدی تهیه کرد.
 
این تکنیک راهی غیر مخرب برای حمل و نقل و دستکاری فسیل های نادر یا شکننده را به دانشمندان ارائه می دهد.
 
برای محافظت از چنین نمونه هایی در برابر آسیب هنگام حمل و نقل، فسیل ها اغلب در پوشش ها یا قالب های پلاستری نگهداری می شوند. این پوشش ها باید به اندازه کافی قوی باشند تا از فسیل ها محافظت کنند، اما هنگام برداشتن نیز باید به راحتی از نمونه جدا شوند.
 
در حین برداشتن پلاستر و رسوبات اطراف است که فسیل در خطر از دست دادن مواد یا حتی نابودی قرار دارد. این معمولاً زمانی رخ می دهد که پلاستر (یا گچ) سفت به استخوان چسبیده باشد.
گروهی از محققان آلمانی دریافتند که با استفاده از چاپگرهای CT و سه بعدی، می توانند استخوان فسیل شده را از ماتریس رسوبات اطراف آن جدا کرده و به نمونه آسیب نزنند، و سپس یک کپی سه بعدی از آن تهیه کنند.  
تصویر: چاپ سه بعدی فسیل (سمت راست) در کنار نسخه اصلی که هنوز در داخل ژاکت گچی قرار دارد. با اجازه رادیولوژی و RSNA
 
گروهی از محققان آلمانی دریافتند که با استفاده از چاپگرهای CT و سه بعدی، می توانند استخوان فسیل شده را از ماتریس رسوبات اطراف آن جدا کرده و به نمونه آسیب نزنند، و سپس یک کپی سه بعدی از آن تهیه کنند.
 
با به کار بردن این روش بر روی یک فسیل ناشناس از موزه Naturkunde در برلین، محققان استخوان را با یک سیستم چندین آشکار سازه 320 برشی اسکن کردند تا تضعیف های مختلف (جذب تابش) از طریق استخوان و ماتریس رسوبات اطراف را نشان دهند، که به وضوح مهره فسیل شده را نشان می داد.
 
این اسکن همچنین اطلاعاتی در مورد وضعیت و یکپارچگی نمونه، مانند شکستگی های ناشناخته ارائه داد و به محققان در بازسازی دقیق فسیل کمک کرد.
 
سپس با استفاده از سیستم پخت لیزری - فرایندی که از لیزرهای قدرتمند برای ترکیب مواد با افزودن لایه های نازک افقی پلاستیک استفاده می کند - یک کپی سه بعدی دقیق از فسیل تهیه شد.
می توان نسخه های دقیقی از استخوان های فسیل شده را با استفاده از ترکیب اسکن توموگرافی کامپیوتری (CT) و چاپگرهای سه بعدی تهیه کرد.  
تصویر: کپی سه بعدی بزرگ شده از جمجمه 380 میلیون ساله سلکانت (coelacanth) که در نزدیکی گذرگاه فیتزروی، غرب استرالیا، پیدا شد. جان لانگ
 

تاثیر بر دیرینه شناسی

به گفته ریچارد برایان گاندرمن، استاد رادیولوژی در دانشگاه ایندیانا که در این مطالعه شرکت نداشت، سی تی اسکن ها قادرند ابعاد ساختاری دقیق یک جسم را تا کسرهای یک میلی متر تعیین کنند.
 
سپس می توان از این داده ها برای ساختن المثناهایی آن قدر دقیق استفاده کرد به گونه ای که اشیاء با اهمیت تاریخی زیاد، مانند ویولن هایStradivarius ، از این طریق ایجاد شده اند که صدای آنها بسیار شبیه صداهای اصلی است.
 
جان لانگ ، استاد استراتژیک دیرینه شناسی در دانشگاه فلیندرز، می گوید: "چنین فناوری ای در چند سال گذشته برای دیرینه شناسان مفید بوده است. "
 
"زمانی ما برای آماده سازی فسیل های ظریف از سنگ به روش های وقت گیر دقیقی متکی بودیم و حتی در آن زمان، ما فقط می توانستیم ویژگی های خارجی آنها را ببینیم. اکنون، با استفاده از اسکنرهای میکرو سی تی با وضوح بالا و سنکروترون ها [شتاب دهنده های ذرات]، می توانیم هر گوشه و کناری از فسیل را تا سلول ها و ساختارهای بافتی جداگانه مورد بررسی قرار دهیم بدون این که خطر آسیب زدن به نمونه را داشته باشیم."
 جمجمه چاپ سه بعدی که همچنین به عنوان یک هولوتایپ عمل می کند، می تواند به دمیدن روح تازه ای در این نمونه مرموز کمک کند. "در ترکیب با پرینت سه بعدی پیشرفته، اکنون می توان حتی جمجمه های فسیلی باستانی را برش برش کرده و هر برش را چاپ کرد به گونه ای که تمام کالبد شناسی با وضوح کامل نشان داده شود. بدون شک این امر دیرینه شناسی را احیا می کند."
 
Ahi Sema Issever ، از پردیس کمیته Charité در برلین و یکی از نویسندگان این مطالعه، توضیح داد: "مهمترین مزیت این روش این است که روشی غیر مخرب است، بنابراین خطر آسیب رساندن به فسیل حداقل است. علاوه بر این، این روش نه تنها امکان مبادله جهانی فسیل های کمیاب در هر مقدار را فراهم می کند، داده های نمونه ها را می توان به صورت دیجیتالی بین مؤسسات تحقیقاتی، موزه ها و مدارس، ضمن حفاظت از فسیل اصلی، به اشتراک گذاشت. "
 
دارن کورنو، استادیار دانشگاه نیو ساوت ولز، با این موضوع موافق است و می گوید: "فسیل های معروف مانند کودک Taung  در آفریقای جنوبی - اولین موجود میمون مانند در درخت تکاملی انسان ما - بعد از 90 سال مطالعه توسط دانشمندان آسیب هایی جدی دیده است.
 
"تقریباً همه کسانی که فسیل را می بینند می خواهند چند اندازه گیری خود را انجام دهند و با این کار به این قطعات بسیار گرانبهای میراث جمعی ما آسیب می رسانند. ما باید بهتر کار کنیم، و فقط چنین فناوری ای ممکن است پاسخ باشد. "
نقشه ها دیجیتالی شد. سپس، با استفاده از نرم افزار پیشرفته و فناوری مبتکرانه مبتنی بر رایانه، هر برش به صورت دیجیتالی در یک توده منفرد باز مونتاژ شد. این به ما اجازه داد تا یک مدل سه بعدی از جمجمه اصلی را باز سازی کنیم.

تذکری برای احتیاط

اگر چه پروفسور لانگ از پیشرفت فناوری در این مطالعه حمایت می کند، اما هشدار داد که محققان برای نتیجه گیری خود نباید به تصاویر توموگرافی و چاپ سه بعدی تکیه کنند.
 
"مهم است که ابتدا تعصبات حفاظتی فسیل اصلی را به دقت مطالعه کنیم تا تعیین کنیم که یک تصویر کامپیوتری چقدر قابل اعتماد خواهد بود. در برخی موارد، جایگزینی استخوان با مواد معدنی دیگر یا وجود اجزای جامد می تواند بر کیفیت تصاویر CT تأثیر بگذارد و نتایج چاپ سه بعدی را تحت تأثیر قرار دهد."
 
"دانشمندان هنوز باید ابتدا نمونه های اولیه را با جزئیات مطالعه کنند و سپس با استفاده از سی تی اسکن و چاپ سه بعدی تفسیر کنند. "
در جانور شناسی، تعیین نمونه های نوع، مهم ترین مرحله در هنگام نام گذاری گونه ای جدید در دیرینه شناسی است. این نمونه ی نوع، که هولوتایپ نامیده می شود، به عنوان مرجع تشریحی برای کارهای مقایسه ای آینده عمل می کند.   
تصویر: کپسول چشمی پلاکودرم 400 میلیون ساله اسکن شده در Taemas که در نزدیکی کانبرا پیدا شد. تیم سندن
 ما توانستیم از ارائه های سه بعدی و چاپ سه بعدی استفاده کنیم - و به این ترتیب یکی از اجداد پستاندار ما متولد شد.دانشیار کورنو موافقت کرد و گفت: "هر مدلی که از سی تی اسکن تهیه شود باید استخوان واقعی را از استخوان از دست رفته یا حتی از موادی مانند گچ که در گذشته برای بازسازی استخوان های از دست رفته در فسیل ها استفاده می شد، تشخیص دهد. این امر به ویژه مهم است زیرا اکثر فسیل های یافت شده ناقص یا تحریف شده هستند."
 
"در پایان، هیچ چیز مانند دیدن واقعی برای درک کامل آناتومی و وضعیت حفظ فسیل نیست. اما، برای نوع کاری که بسیاری از دانشمندان انجام می دهند، به ویژه دانشجویان تحصیلات تکمیلی، مدل های سه بعدی در مواردی فوق العاده مفید خواهند بود، زمانی که تأمین بودجه بسیار دشوار است. "
 

فراتر از فسیل ها

برخی از کار شناسان حدس می زنند که یافته های این مطالعه به نفع حوزه پزشکی خواهد بود، مانند ساخت و نصب ایمپلنت در جراحی ارتوپدی. برخی دیگر معتقدند که این تکنیک می تواند برای مدل سازی استخوان های واقعی و بافت های دیگر مانند جسدهایی که در یخ یا باتلاق حفظ شده اند مورد استفاده قرار گیرد.
 
مارتین باومرز، یکی از محققان دانشگاه ناتینگهام، مایل است که یک کتابخانه مجازی و زیرساختِ داده برای چنین داده ها و طرح های سه بعدی ایجاد شود. او معتقد است که این کار به تحقیقات مشترک کمک می کند و به متخصصان رشته های مختلف اجازه می دهد تا مدل های سه بعدی را برای چاپ سه بعدی یا سایر کاربردهای علمی، حتی تجاری، به اشتراک بگذارند و بازیابی کنند.
 
از نظر پروفسور لانگ، بزرگ ترین پیشرفت زمانی رخ می دهد که دیرینه شناسان توانایی ساخت ماشین های قابل حمل را برای ورود به میدان و اسکن فسیل ها، که هنوز زیر لایه های سنگی مدفون هستند، برای تعیین وسعت کامل فسیل قبل از حفاری داشته باشند.
 با معرفی سنگ زنی سریالی، این روش تبدیل شد به تنها راه تماماً کنترل شده برای دسترسی به "داخل" فسیل ها.
منبع: ژولین بنوا، ساندرا یاسینوسکی، University of the Witwatersrand، شیرین چان، conversation