中國河北晚侏羅世蠑螈亞目（兩棲綱，有尾目）基干屬種干溝青龍螈（Qinglongtriton gangouensis）骨骼高精度μCT三維數(shù)據(jù)集

賈佳，高克勤

1.北京大學，地球與空間科學學院，北京 100871

2.山東科技大學，山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室，山東青島266590

3.中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所，中國科學院資源地層學與古地理學重點實驗室，南京 210008

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫（集）名稱 蠑螈亞目（兩棲類，有尾目）基干屬種干溝青龍螈骨骼高精度μCT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)時間范圍青龍螈化石層位屬于晚侏羅世髫髻山組，U-Pb同位素測年顯示距今約（160.889±0.069）Ma～（160.254±0.045）Ma[1]；化石標本采集于2009年夏，并于2015年春掃描。

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引 言

在傳統(tǒng)古生物學研究中，當把一件標本從野外運輸?shù)綄嶒炇覂?nèi)，研究者為了研究其形態(tài)特征，通常會在顯微鏡下首先對其進行機械修理或者酸處理，以去除其圍巖從而展露出化石的真實面貌[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，反而常常會對標本造成損壞，帶來不可挽回的損失。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）來獲取標本的部分截面，從而進行觀察[3]。但是這些方法并不能實現(xiàn)完全的連續(xù)切片，致使無法完整地觀察化石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

高精度計算機斷層掃描（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、高效率和無損探測等優(yōu)勢迅速獲得了古生物研究人員的青睞，并廣泛應用在許多門類的關(guān)鍵過渡屬種中，如肉鰭魚類Eusthenopteron[4-5]，低等四足動物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]，早期鳥類孔子鳥[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標本的測量和觀察，同時也擴展了對生物本身的結(jié)構(gòu)功能學和生物力學的研究，如對低等四足動物Ichthyostega行走能力的研究[6]。除了輔助科學研究以外，μCT掃描所生成的虛擬模型還可以通過3D打印機制成實體模型，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螈（Qinglongtritongangouensis）的骨骼μCT三維源數(shù)據(jù)集便是μCT的眾多應用實例之一。蠑螈類（有尾目）是一類有尾兩棲動物，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)成滑體兩棲動物亞綱[13]。蠑螈類是一支古老的演化支系，分子生物學數(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90年代末以來，中國河北北部、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)以萬計的蠑螈類標本，為了解蠑螈類在中生代時期的演化提供了珍貴的化石材料。這些化石標本不僅數(shù)目眾多，而且保存完整，同時分類多樣性也非常豐富。目前已識別出隱鰓鯢亞目的8屬10種和蠑螈亞目的2屬2種[16-18]。本文對青龍螈多件標本的高精度斷層掃描和3D打印是在我國化石蠑螈類研究中的首次嘗試[17]。與以往研究相比，該項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獨特的骨骼結(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本的虛擬模型提供便利，促進科研合作。我們在研究過程中發(fā)現(xiàn)多個可用共享平臺，如Dryad、DigiMorph等已經(jīng)提供了少數(shù)標本的源數(shù)據(jù)共享和無償下載功能，但是共享力度仍然不足。因此，本文提供了我國晚侏羅世髫髻山組產(chǎn)出的干溝青龍螈的正型標本（PKUP V0226）和2件歸入標本（PKUP V0228、PKUP V0254）的μCT掃描源數(shù)據(jù)，正型標本的上半身骨骼可用于3D打印的stl文件以及3件標本的復原圖和相關(guān)視頻。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 獲取數(shù)據(jù)

在進行掃描以前，首先需要對標本進行初步的鏡下機械修理，使得標本能夠更好地固定在掃描儀內(nèi)部的載物臺上，進而獲得較高的分辨率。2009年的野外工作共發(fā)現(xiàn)干溝青龍螈標本46件[17]。所有標本的修理工作在北京大學地球與空間科學學院完成。對正型標本PKUP V0226和歸入標本PKUP V0228、PKUP V0254的掃描工作在中國地質(zhì)大學（北京）科學研究院工業(yè)微焦CT實驗室的掃描儀（Nikon XT H 320 LC）上操作完成。后續(xù)對標本進行的圖像分割（segmentation）和三維重建（3D reconstruction）在該實驗室工作站上利用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)于其他付費或免費軟件的相關(guān)介紹。

1.1.1 標本預處理和μCT掃描

干溝青龍螈的正型標本PKUP V0226及其他2件歸入標本PKUP V0228、PKUP V0254在野外采集過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沿骨架的長軸將多余的圍巖去除，以減少標本整體的寬度，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本碎裂的部分粘連在一起。

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

1.1.2 數(shù)據(jù)生成

在掃描青龍螈標本的過程中，載物臺每旋轉(zhuǎn)0.11457670273711°，X光接收器采集一張包含化石標本灰度值（gray value）的二維X光圖像（tiff格式）。掃描過程中，每件標本共生成3 142張tiff格式二維圖像和一個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，通過矯正在掃描過程中可能出現(xiàn)的標本晃動或X光射線硬化等造成的標本邊緣模糊現(xiàn)象，進而生成垂直于標本長軸方向（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），流程見圖1。

圖1 干溝青龍螈標本修理、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)處理過程中，將1 998張16位tiff格式圖像堆棧導入VG Studio Max 2.2軟件，通過弱化背景和強化化石骨骼的灰度值，從而提高二者在二維截屏面上的對比度。完成源數(shù)據(jù)的導入之后，VG Studio Max軟件分為4個窗口展示該標本，其中3個窗口為相互垂直的3個截平面（X-Y軸，X-Z軸和Y-Z軸），另一窗口顯示標本的三維畫面。在某一截平面上，利用軟件的畫筆工具將特定的骨骼輪廓一幀一幀地畫出，生成感興趣區(qū)（region of interest，簡稱ROI；圖2）。將ROI提取即可生成某一骨骼的三維虛擬模型。倘若需要對某一結(jié)構(gòu)進行3D打印，只需將該三維模型進行表面測定，導出stl格式的文件即可，例如本文提供的青龍螈正型標本上半身骨骼模型的stl文件（PKUPV0226stl.zip）。此外，本文將青龍螈的3件標本分別進行了二維截面的圖像分割，揭示出了化石標本的完整結(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 干溝青龍螈正型標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

干溝青龍螈的正型標本（PKUP V0226）和2件歸入標本（PKUP V0228、PKUP V0254）均為成年個體（圖3～4）。其中PKUP V0226的頭長（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40.79 mm，寬35.78 mm，吻臀距148.47 mm；PKUP V0254的頭長46.18 mm，寬44.23 mm，該標本軀干后部保存不完整無法獲得吻臀距。其中，正型標本為腹面向上保存，其余兩件為背面向上保存（圖 3）。通過對標本的觀察發(fā)現(xiàn)干溝青龍螈具有雙頭肋骨（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]。

青龍螈的系統(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

干溝青龍螈QinglongtritongangouensisJia and Gao, 2016

圖3 干溝青龍螈3件標本照片

對青龍螈 3件標本的高精度斷層掃描識別出了傳統(tǒng)鏡下機械修理所不能揭露的結(jié)構(gòu)特征。舉例來說（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），通過對 μCT掃描的多個橫截面觀察，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，起到保護軟體腦顱和支撐頭骨頂部的作用。該骨僅在較為進步的洞螈科（Proteidae）和無肺螈科（Plethodontidae）Eurycea屬的個別種類中缺失。眶蝶骨在青龍螈所有已掃描標本中的缺失現(xiàn)象說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）導致的。

圖4 干溝青龍螈歸入標本PKUP V0228的μCT重建圖

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

如前所述，青龍螈骨骼高精度μCT掃描源數(shù)據(jù)集是使用中國地質(zhì)大學（北京）科學研究院工業(yè)微焦CT實驗室的掃描儀（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。對不同標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)見數(shù)據(jù)集中的xtekct參數(shù)文本文件。

表1 干溝青龍螈（Qinglongtriton gangouensis）標本高精度μCT掃描參數(shù)表

干溝青龍螈正型標本的上半身骨骼模型stl格式文件，是研究者基于對化石材料的圖像分割和光滑處理后生成的。對每一塊骨骼的原始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定再導出成stl格式文件。

3件標本的視頻文件均由VG Studio Max 2.2的動畫（Animation）選項中的關(guān)鍵幀（key frame）完成，視頻導出時無任何壓縮處理。

4 數(shù)據(jù)價值

與傳統(tǒng)的連續(xù)切片技術(shù)以及耗時耗力的化石修理相比，高精度X光掃描可以無損而且高效揭示出化石標本內(nèi)部結(jié)構(gòu)，極大方便了科研人員對標本的觀察。對青龍螈骨骼的高精度μCT掃描是我國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螈的骨骼特征提供完整的信息，為日后μCT掃描在蠑螈類研究中的應用提供參照。干溝青龍螈正型標本上半身骨骼模型stl文件的共享將為獲取3D打印青龍螈的實體模型提供便利。