中国生物多样性数据集专题 II 区论文(已发表) 版本 ZH4 Vol 3 (1) 2018.
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中国河北晚侏罗世蝾螈亚目(两栖纲,有尾目)基干属种干沟青龙螈(Qinglongtriton gangouensis)骨骼高精度μCT三维数据集
Dataset of 3D high-resolution μCT scan of fossil specimens of Qinglongtriton gangouensis, a basal salamandroid (Amphibia, Urodela) from the Upper Jurassic of Hebei Province, China
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: 2017 - 11 - 17
: 2017 - 12 - 11
: 2018 - 02 - 26
5702 40 7
摘要&关键词
摘要:古生物学研究正进入数字化时代。与传统的对化石的机械修理和连续切片技术相比,X光射线高精度断层扫描技术(high-resolution X-ray tomography或μCT)以其高精度、高效率和无损探测等优势迅速获得了古生物研究人员的青睐。干沟青龙螈(Qinglongtritongangouensis )是发现于中国河北晚侏罗世髫髻山组的蝾螈亚目的基干属种,距今约1亿6千万年。本文提供了该属种正型标本(PKUP V0226)和2件归入标本(PKUP V0228、PKUP V0254)的μCT源数据、正型标本上半身骨骼用于3D打印的stl文件以及3件标本的重建效果图和视频文件。这是高精度μCT技术在我国化石蝾螈类研究中的首次尝试。该技术的应用发现了青龙螈的多个独特形态特征,包括眶蝶骨的骨化缺失等,为蝾螈亚目早期特征演化研究提供了重要信息。本数据集为日后μCT扫描在蝾螈类研究中的应用提供了参照,同时其效果图、视频和可用于3D打印的虚拟模型也为公众了解原始蝾螈类化石提供了便利渠道。
关键词:河北省;髫髻山组;晚侏罗世;蝾螈亚目;干沟青龙螈;μCT扫描;骨骼化石
Abstract & Keywords
Abstract: It comes the digital era for paleontological research. High resolution X-ray tomography (or μCT) has several advantages (high resolution, high efficiency and non-destructive detection) over traditional mechanical preparation and serial sectioning techniques when used to investigate fossil specimens. Thus, this new technique has been widely used by paleontologists in their study of fossils. This article provides a methodological description of μCT scanning of fossils of a Jurassic salamander, Qinglongtritongangouensis , and provides μCT source data of the holotype (PKUP V0226) and two referred specimens (PKUP V0228, PKUP V0254) of this fossil taxon. Qinglongtritongangouensis is a primitive salamander classified in the suborder Salamandroidea. Specimens of this taxon were discovered from the Upper Jurassic Tiaojishan Formation of Hebei Province, China, and the fossil beds dated back to ~160 million years ago. A3D printable stl formatted file of the upper body skeleton of PKUP V0226, CT and video images were provided to display the reconstructed skeleton of the three specimens. This is the first attempt of employing μCT technique in study of salamander fossils from China. Several unique osteological features were revealed via μCT scanning of the specimens; for instance, the absence of an ossified orbitosphenoid provides deep insights in the character evolution of Salamandroidea. This dataset offers a methodological reference for the application of μCT scanning technique in future research of fossil salamanders, and also opens a window to the public arena for virtual access to the results of our CT scanning of the Jurassic salamander fossils.
Keywords: μCT scan; fossil salamander; Qinglongtritongangouensis; Salamandroidea; Late Jurassic; Tiaojishan Formation; Hebei Province
数据库(集)基本信息简介
数据库(集)名称蝾螈亚目(两栖类,有尾目)基干属种干沟青龙螈骨骼高精度μCT扫描源数据集
数据作者贾佳、高克勤
数据通信作者贾佳(jia_jia@pku.edu.cn)
数据时间范围青龙螈化石层位属于晚侏罗世髫髻山组,U-Pb同位素测年显示距今约(160.889±0.069)Ma~(160.254±0.045)Ma[1];化石标本采集于2009年夏,并于2015年春扫描。
化石点地理位置青龙螈化石标本采自干沟化石点同一化石层,位于中国河北省秦皇岛市青龙满族自治县干沟镇南石门子村以北山丘(北纬40°31′52″,东经119°29′11″)。
扫描分辨率PKUP V0226 (66.624 μm), PKUP V0228 (118.609 μm), PKUP V0254 (78.569 μm)
数据量44.8 GB
数据格式*.tif, *.stl, *.avi
数据服务系统网址http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/527
基金项目中国国家留学基金委留学基金(201306010049)、中国国家自然科学基金委青年基金(41702002、41072007、41272016)、山东科技大学山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室开放基金(DMSM2017002)、中国科学院资源地层学与古地理学重点实验室(中国科学院南京地质古生物研究所)开放基金(2017KF03)
数据库(集)组成数据集由4部分数据组成,第1~3部分分别为干沟青龙螈正型标本PKUP V0226、归入标本PKUP V0228和PKUP V0254的μCT扫描源数据,第4部分为上述3件标本的相关图像和视频文件以及正型标本PKUP V0226的头骨模型stl文件。共包括6个数据文件,分别为:(1)PKUPV0226rawdata.zip:包括1 998张tiff图片和一个包含扫描参数的文本文件PKUPV0226.xteckt,数据量为14.8 GB;(2)PKUPV0228rawdata.zip:包括1998张tiff图片和一个包含扫描参数的文本文件PKUPV0228.xteckt,数据量为14.8 GB;(3)PKUPV0254rawdata.zip:包括1 998张tiff图片和一个包含扫描参数的文本文件PKUPV0254.xteckt,数据量为14.8 GB;(4)PKUPV0226stl.zip:包括一个可用于3D打印的正型标本PKUP V0226的上半身模型stl文件,数据量为227 MB;(5)pics.zip:包括标本PKUP V0226,PKUP V0228和PKUP V0254的重建图,共7张tiff图片,数据量为15.9 MB;(6)videos.zip:包括标本PKUP V0226,PKUP V0228和PKUP V0254各自围绕前后轴向旋转的三个动态视频文件和PKUP V0226头骨渲染后的视频,均为avi格式,数据量为135 MB。
Dataset Profile
TitleμCT dataset of skeletons of basal salamandroid (Amphibia, Caudata) Qinglongtritongangouensis
Data authorsJia Jia, Gao Ke-Qin
Data corresponding authorJia Jia (jia_jia@pku.edu.cn)
Time rangeFossil beds of Qinglongtriton pertain to the Upper Jurassic Tiaojishan Formation, which date back to (160.889±0.069) – (160.254±0.045) Ma[1]; Specimens were collected in the summer of 2009 and μCT-scanned in the spring of 2015.
Geographical location of fossil siteSpecimens of Qinglongtriton were collected from the same fossil horizon at the Gangou fossil site (40°31’52’’N/ 119°29’11’’E), located on a hill to the north of Nanshimenzi Village, Gangou County, Qinglong Manchu Autonomous County, Qinhuangdao City, Hebei Province, China.
CT scan resolutionPKUP V0226 (66.624 μm), PKUP V0228 (118.609 μm), PKUP V0254 (78.569 μm)
Data volume44.8 GB
Data format*.tif, *.stl, *.avi
Data service systemhttp://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/527
Sources of fundingChina Scholarship Council (201306010049); National Natural Science Foundation of China (41702002, 41072007, 41272016); Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization & Sedimentary Mineral, Shandong University of Science and Technology (DMSM2017002); Key Laboratory of Economic Stratigraphy and Palaeogeography, Chinese Academy of Sciences (Nanjing Institute of Geology and Palaeontology) (2017KF03).
Dataset compositionThe dataset consists of four subsets in total. Each of the first to the third subsets includes source data generated from μCT scanning of PKUP V0226, PKUP V0228 and PKUP V0254, respectively. The fourth subset comprises reconstructed images and videos of all the three specimens and an stl file for 3D printing of the skull portion of PKUP V0226. The four subsets have a total of six data documents, recorded as PKUPV0226rawdata.zip, PKUPV0228rawdata.zip, PKUPV0254rawdata.zip, PKUPV0226stl.zip, pics.zip, videos.zip: (1) PKUPV0226rawdata.zip is made up of 1998 tiff images and a text file (PKUPV0226.xtekct) containing μCT scanning parameters, with a data volume of 14.8 GB; (2) PKUPV0228rawdata.zip is made up of 1998 tiff images and a text file (PKUPV0228.xtekct) containing μCT scanning parameters, with a data volume of 14.8 GB; (3) PKUPV0254rawdata.zip is made up of 1998 tiff images and a text file (PKUPV0254.xtekct) containing μCT scanning parameters, with a data volume of 14.8 GB; (4) PKUPV0226stl.zip consists of one stl file for 3D printing of the upper body of PKUP V0226, with a data volume of 227 MB; (5) pics.zip comprises seven tiff images of the reconstructed skeletons of PKUP V0226, PKUP V0228 and PKUP V0254, with a data volume of 15.9 MB; (6) videos.zip is made up of three avi formatted video files, each of which displays the rolling motion of PKUP V0226, PKUP V0228 and PKUP V0254; and another avi file showing the rotation of rendered skull of PKUP V0226, with a data volume of 135 MB.
引 言
在传统古生物学研究中,当把一件标本从野外运输到实验室内,研究者为了研究其形态特征,通常会在显微镜下首先对其进行机械修理或者酸处理,以去除其围岩从而展露出化石的真实面貌[2]。然而这些修理手段很难完整地揭示出化石本身的三维形态特征,反而常常会对标本造成损坏,带来不可挽回的损失。如若需要观察化石的内部结构,在标本充足的前提下,研究者通常选择切片技术(磨片法、揭片法)来获取标本的部分截面,从而进行观察[3]。但是这些方法并不能实现完全的连续切片,致使无法完整地观察化石的内部结构。
高精度计算机断层扫描(high-resolution X-ray tomography,high-resolution micro-CT或μCT)是一种利用高能X光射线在短时间内获得物体内部三维结构的技术。与上述传统手段相比,该技术以其高精度、高效率和无损探测等优势迅速获得了古生物研究人员的青睐,并广泛应用在许多门类的关键过渡属种中,如肉鳍鱼类Eusthenopteron[4-5] ,低等四足动物Ichthyostega[6] ,原始锄足蟾类Prospea[7] ,原始蛇类Dinilysia[8] ,原始翼龙类Liaodactylus[9] ,霸王龙类恐龙Alioramus[10] ,早期鸟类孔子鸟[11]以及原始哺乳类Vilevolodon[12] 等。基于μCT扫描所得到的虚拟模型极大地方便了研究者对标本的测量和观察,同时也扩展了对生物本身的结构功能学和生物力学的研究,如对低等四足动物Ichthyostega行走能力的研究[6]。除了辅助科学研究以外,μCT扫描所生成的虚拟模型还可以通过3D打印机制成实体模型,用于博物馆展览、公众科普等。
本文所提供的原始蝾螈类干沟青龙螈(Qinglongtritongangouensis )的骨骼μCT三维源数据集便是μCT的众多应用实例之一。蝾螈类(有尾目)是一类有尾两栖动物,包括隐鳃鲵亚目(2科,11属,70种)、蝾螈亚目(7科,55属,633种)和鳗螈亚目(1科,2属,4种),它们与蛙类和蚓螈类共同构成滑体两栖动物亚纲[13]。蝾螈类是一支古老的演化支系,分子生物学数据显示该支系起源于约262.5~357.0 Ma之间(如[14-15])。自上世纪90年代末以来,中国河北北部、辽宁西部和内蒙古自治区东南部的中生代地层出产了数以万计的蝾螈类标本,为了解蝾螈类在中生代时期的演化提供了珍贵的化石材料。这些化石标本不仅数目众多,而且保存完整,同时分类多样性也非常丰富。目前已识别出隐鳃鲵亚目的8属10种和蝾螈亚目的2属2种[16-18]。本文对青龙螈多件标本的高精度断层扫描和3D打印是在我国化石蝾螈类研究中的首次尝试[17]。与以往研究相比,该项研究提供了更为详尽的特征描述,揭示了这一原始蝾螈物种的多个独特的骨骼结构,为更好地理解蝾螈亚目的早期特征演化提供了信息[17]
共享高质量的μCT扫描源数据将为获取某些重要标本的虚拟模型提供便利,促进科研合作。我们在研究过程中发现多个可用共享平台,如Dryad、DigiMorph等已经提供了少数标本的源数据共享和无偿下载功能,但是共享力度仍然不足。因此,本文提供了我国晚侏罗世髫髻山组产出的干沟青龙螈的正型标本(PKUP V0226)和2件归入标本(PKUP V0228、PKUP V0254)的μCT扫描源数据,正型标本的上半身骨骼可用于3D打印的stl文件以及3件标本的复原图和相关视频。
1   数据采集和处理方法
1.1   获取数据
在进行扫描以前,首先需要对标本进行初步的镜下机械修理,使得标本能够更好地固定在扫描仪内部的载物台上,进而获得较高的分辨率。2009年的野外工作共发现干沟青龙螈标本46件[17]。所有标本的修理工作在北京大学地球与空间科学学院完成。对正型标本PKUP V0226和归入标本PKUP V0228、PKUP V0254的扫描工作在中国地质大学(北京)科学研究院工业微焦CT实验室的扫描仪(Nikon XT H 320 LC)上操作完成。后续对标本进行的图像分割(segmentation)和三维重建(3D reconstruction)在该实验室工作站上利用VG Studio Max 2.2(Volume Graphics,Heidelberg,Germany)软件完成。尽管该软件应用广泛,但并非仅此一类软件可供处理图像堆栈(image stack),读者可参照[19]关于其他付费或免费软件的相关介绍。
1.1.1   标本预处理和μCT扫描
干沟青龙螈的正型标本PKUP V0226及其他2件归入标本PKUP V0228、PKUP V0254在野外采集过程中断裂为大小不一的几块。在解剖显微镜下,使用碳钢针小心去除每一块标本覆盖在骨骼上的围岩。待骨架暴露完全后,使用锯条或小型齿轮机沿骨架的长轴将多余的围岩去除,以减少标本整体的宽度,从而提高扫描成像效果。将清漆与丙酮溶液的混合液用于化石标本加固,以免骨骼碎裂脱落;之后,使用苏打粉与2-氰基丙烯酸乙酯将同一标本碎裂的部分粘连在一起。
将粘连好的标本固定在扫描仪的载物台上,并保持整体骨骼的长轴方向与载物台垂直。通过电脑调整载物台与X光射线源的距离,使标本在X光接收器上的投影尽量大而且完整;旋转载物台360°以确保化石标本在每个角度上的投影都出现在X光接收器上。由于不同标本厚度不一,调节电流与电压以强化X光射线的穿透力,从而提高化石与围岩之间的对比度。
1.1.2   数据生成
在扫描青龙螈标本的过程中,载物台每旋转0.11457670273711°,X光接收器采集一张包含化石标本灰度值(gray value)的二维X光图像(tiff格式)。扫描过程中,每件标本共生成3142张tiff格式二维图像和一个xtekct格式的参数文本文件。此后利用Nikon扫描仪自带的3D Pro软件读取3142张tiff文件,通过矫正在扫描过程中可能出现的标本晃动或X光射线硬化等造成的标本边缘模糊现象,进而生成垂直于标本长轴方向(Z轴)的1998张16位tiff格式的图像堆栈,即本文所提供的扫描源数据(PKUPV0226rawdata.zip,PKUPV0228rawdata.zip,PKUPV0254rawdata.zip),流程见图1。


图1   干沟青龙螈标本修理、扫描及数据处理流程示意图
1.2   处理数据
扫描数据处理过程中,将1998张16位tiff格式图像堆栈导入VG Studio Max 2.2软件,通过弱化背景和强化化石骨骼的灰度值,从而提高二者在二维截屏面上的对比度。完成源数据的导入之后,VG Studio Max软件分为4个窗口展示该标本,其中3个窗口为相互垂直的3个截平面(X-Y轴,X-Z轴和Y-Z轴),另一窗口显示标本的三维画面。在某一截平面上,利用软件的画笔工具将特定的骨骼轮廓一帧一帧地画出,生成感兴趣区(region of interest,简称ROI;图2)。将ROI提取即可生成某一骨骼的三维虚拟模型。倘若需要对某一结构进行3D打印,只需将该三维模型进行表面测定,导出stl格式的文件即可,例如本文提供的青龙螈正型标本上半身骨骼模型的stl文件(PKUPV0226stl.zip)。此外,本文将青龙螈的3件标本分别进行了二维截面的图像分割,揭示出了化石标本的完整结构,并将骨骼的背、腹面视图保存为高分辨率的tiff格式图片和avi格式的视频(pics.zip和videos.zip)。


图2   干沟青龙螈正型标本头骨渲染图及感兴趣区(ROI)的建立
A、B、C为三个横切截面图
2   数据样本描述
干沟青龙螈的正型标本(PKUP V0226)和2件归入标本(PKUP V0228、PKUP V0254)均为成年个体(图3~4)。其中PKUP V0226的头长(前颌骨至外枕骨后缘距离)为45.11mm,宽(头骨与两侧下颌关节之间最大距离)为40.35 mm,吻臀距(前颌骨至坐骨后缘距离)为155.71 mm;PKUP V0228的头长40.79 mm,宽35.78 mm,吻臀距148.47 mm;PKUP V0254的头长46.18 mm,宽44.23 mm,该标本躯干后部保存不完整无法获得吻臀距。其中,正型标本为腹面向上保存,其余两件为背面向上保存(图3)。通过对标本的观察发现干沟青龙螈具有双头肋骨(bicapitate ribs),而且下颌中的隅骨(angular)与前关节骨(prearticular)愈合,属于有尾目中蝾螈亚目的典型特征。分支分析研究发现该属种与此前发现的建平北燕螈(Beiyanerpetonjianpingensis[20]构成姐妹群,共同位于蝾螈亚目的最基干位置[17]
青龙螈的系统分类信息如下:
两栖纲 Amphibia Linnaeus, 1758
滑体两栖亚纲 Lissamphibia Haeckel, 1866
有尾超目 Caudata Scopoli, 1777
有尾目 Urodela Duméril, 1806
蝾螈亚目 Salamandroidea Dunn, 1922
科未定 Family Incertae Sedis
干沟青龙螈 Qinglongtritongangouensis Jia and Gao, 2016


图3   干沟青龙螈3件标本照片
A. 正型标本PKUP V0226;B. 归入标本PKUP V0228;C. 归入标本PKUP V0254
对青龙螈3件标本的高精度断层扫描识别出了传统镜下机械修理所不能揭露的结构特征。举例来说(图2),紫色和橙色部分分别为头骨背面的额骨(frontal)和顶骨(parietal),墨绿色部分为头骨腭面的副蝶骨(parasphenoid),通过对μCT扫描的多个横截面观察,并未发现眶蝶骨(orbitosphenoid)。在大部分现在存活的蝾螈类中,眶蝶骨作为脑颅的一部分,起到保护软体脑颅和支撑头骨顶部的作用。该骨仅在较为进步的洞螈科(Proteidae)和无肺螈科(Plethodontidae)Eurycea属的个别种类中缺失。眶蝶骨在青龙螈所有已扫描标本中的缺失现象说明这一特征在蝾螈亚目演化初期就已有出现,而在洞螈科以及Eurycea中的缺失很有可能是由于同塑演化(homoplasy)导致的。


图4   干沟青龙螈归入标本PKUP V0228的μCT重建图
A. 背视;B. 腹视
3   数据质量控制和评估
如前所述,青龙螈骨骼高精度μCT扫描源数据集是使用中国地质大学(北京)科学研究院工业微焦CT实验室的扫描仪(Nikon XT H 320 LC)完成。该扫描仪的X光接收器的分辨率为2000×2000像素。对不同标本的扫描均未使用任何滤片,其电压、电流、分辨率汇总如表1,其余参数见数据集中的xtekct参数文本文件。
表1   干沟青龙螈(Qinglongtritongangouensis )标本高精度μCT扫描参数表
标本号扫描电压(kV)扫描电流(μA)扫描分辨率(μm)
PKUP V022618010566.62411648599
PKUP V022817063118.608638745882
PKUP V02541704778.569482133407
干沟青龙螈正型标本的上半身骨骼模型stl格式文件,是研究者基于对化石材料的图像分割和光滑处理后生成的。对每一块骨骼的原始ROI使用光滑力度(smooth strength)为1,深度(depth)为8位的光滑处理,之后提取成体积文件并做表面测定再导出成stl格式文件。
3件标本的视频文件均由VG Studio Max 2.2的动画(Animation)选项中的关键帧(key frame)完成,视频导出时无任何压缩处理。
4   数据价值
与传统的连续切片技术以及耗时耗力的化石修理相比,高精度X光扫描可以无损而且高效揭示出化石标本内部结构,极大方便了科研人员对标本的观察。对青龙螈骨骼的高精度μCT扫描是我国中生代蝾螈类研究中的首次尝试。包含扫描源数据和成果图片及视频的数据集的共享将为研究干沟青龙螈的骨骼特征提供完整的信息,为日后μCT扫描在蝾螈类研究中的应用提供参照。干沟青龙螈正型标本上半身骨骼模型stl文件的共享将为获取3D打印青龙螈的实体模型提供便利。
致 谢
感谢山东科技大学周长付与沈阳师范大学张立君在化石标本采集和地层勘测中提供的帮助。感谢中国地质大学(北京)方勤方对标本进行扫描。感谢美国自然历史博物馆(American Museum of Natural History)的Jianye Chen和CT实验室的Morgan Hill、Henry Towbin、以及中国科学院古脊椎与古人类研究所易鸿宇对3D打印青龙螈模型提供的帮助。
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数据引用格式
贾佳, 高克勤. 蝾螈亚目(两栖类,有尾目)基干属种干沟青龙螈骨骼高精度μCT扫描源数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2017. (2017-11-17). DOI: 10.11922/sciencedb.527.
稿件与作者信息
论文引用格式
贾佳, 高克勤. 中国河北晚侏罗世蝾螈亚目(两栖纲,有尾目)基干属种干沟青龙螈(Qinglongtriton gangouensis)骨骼高精度μCT三维数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2018, 3(1). (2018-03-20). DOI: 10.11922/csdata.2017.0004.zh.
贾佳
Jia Jia
主要承担工作:文本撰写,干沟青龙螈化石修理,CT扫描方案设计和数据处理,三维虚拟模型重建,绘图及视频制作。
jia_jia@pku.edu.cn
(1987—),男,山东人,博士,博雅博士后,主要研究方向为化石两栖类的分类与演化。
高克勤
Gao Keqin
主要承担工作:文本撰写,CT扫描方案设计。
(1955—),男,河北人,博士,长江特聘教授,研究方向为中生代四足动物化石的分类与演化。
出版历史
I区发布时间:2017年12月14日 ( 版本ZH2
II区出版时间:2018年2月27日 ( 版本ZH3
最近更新时间:2018年2月26日 ( 版本ZH4
翻译版出版时间:2018年2月26日 ( 版本EN2
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中国科学数据
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