琥珀里的恐龙（无损看琥珀中的小恐龙尾巴）

近日，不少人被一个小小的尾巴吸住了眼球这可不是一般的动物尾巴，而是一只小恐龙的尾巴，实际上是一个包裹在琥珀中的小恐龙尾巴化石标本，参见图1，现在小编就来说说关于琥珀里的恐龙?下面内容希望能帮助到你，我们来一起看看吧!

琥珀里的恐龙

近日，不少人被一个小小的尾巴吸住了眼球。这可不是一般的动物尾巴，而是一只小恐龙的尾巴，实际上是一个包裹在琥珀中的小恐龙尾巴化石标本，参见图1。

这是个很有趣的故事。那是2015年的夏天，一位搞地质研究的中国博士在琥珀商那里看到了一块琥珀。琥珀商说这里面有棵植物还是什么怪东西，博士看了看，琥珀里有棵黑乎乎、毛茸茸的东西像个扫帚菜。到底是搞地质专业的，博士又仔细观察了一下这个怪东西的结构，发现这个东西带有羽枝和羽轴的羽毛结构，肯定是个动物啊。

图1. 琥珀中的恐龙标本——可见光照片

当然，买下这块琥珀时，这位博士还拿不准这个标本究竟来自什么动物。一支由中、加、英、美等国科学家组成的国际研究团队采取了多种高科技的无损成像和分析手段来研究这个标本，获取了该化石多尺度分辨的高清投影图像，经过对投影图像的断层重建、数据分割、分段拼接，得到了被羽毛和琥珀包围着的骨骼部分的高清三维图像，经分析揭示了该段骨骼的诸多三维形态特征。

“扫帚菜”的身份最终被确定下来，该化石属于非鸟虚骨龙类恐龙的一段尾骨，包括至少9段尾椎，骨骼形态与典型的非鸟虚骨龙类恐龙类似，明显区别于典型的古鸟类。小恐龙的尾巴完全展开约6厘米，推测这只小恐龙的全长大约18.5厘米。研究团队还获得了化石断面的微量元素分布图，其中铁、锰、钛、锗等元素的分布与化石的形态高度吻合，表明该化石蕴含着丰富的埋藏学信息。

图2. 发表在《当代生物学》（CurrentBiology）上的论文

12月8日，国际知名学术期刊《当代生物学》报道了发现有史以来第一块埋藏在琥珀中的恐龙化石的研究成果，参见图2，立即引起了国内外学者的热烈反响。

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恐龙最早的出现距今约有2.35亿年，灭亡于约6500万年前。虽然那个时代离我们如此遥远，但是恐龙化石记录了它们生存以及灭绝的秘密，成为人们了解研究遥远古代生物进化和气候变迁的可靠依据。

用的是什么无损手段？

这块埋藏在琥珀中的恐龙化石如此珍贵，以至于不允许使用开膛破肚的方法来研究它，那么研究团队究竟用的是什么无损的研究手段呢？真令人好奇！

据媒体报道：这项研究是由中国科学院高能物理所的研究人员与古生物学家合作，利用北京同步辐射装置的硬X射线相位衬度 CT、X 射线荧光成像和 X 射线吸收谱以及上海同步辐射光源的硬X射线相位衬度 CT 等方法，提取出多种有价值的信息，获得了极为可喜的研究成果。

在上述多种无损研究手段中“同步辐射硬X射线相位衬度 CT”是对小恐龙尾巴进行三维成像的关键技术，以下介绍的是与此相关的一些科普资料。

什么是X射线？

X 射线是德国著名物理学家伦琴1895年在从事阴极射线的研究时意外发现的。由于当时无法确定这种射线的性质，所以用数学中表示未知数的符号 “X” 来命名，称之为 X 射线。正是伦琴拍下了世界上第一张 X 光片——留下了他夫人右手的 X 射线影像，揭示了这项技术随后在医学成像诊断领域的巨大应用前景。

X 射线是一种波长比较短、穿透力比较强的光或电磁波。X 射线的波长介于紫外线和 γ 射线之间（0.01～100埃，1埃等于0.1纳米，即一亿分之一厘米，常用以表示光的波长及其它微小长度），参见图3，只有可见光波长的千分之一到万分之一。

图3. 电磁波谱图（人眼能感知的可见光只占非常窄的一段）（图片来自网络）

波长小于0.1埃的称为超硬X射线，在0.1～10埃范围内的称为硬 X 射线，10～100埃范围内的称为软X射线。波长越短的X射线能量越高，穿透力越强。因此，硬 X 射线在探测行李内部危险物品或者人体内部病变方面具有明显优势。

用的是什么同步辐射？

1947年4月，美国纽约通用电气公司的科学家在调试能量达 70keV 的电子同步回旋加速器时，在电子转弯运动轨迹的切线方向上意外发现了方向性特别好的 X 射线（由于是在同步辐射加速器上发现的，被命名为同步辐射）。1973年国际上建成了第一代同步辐射光源，亮度比常规X射线源高4-5个量级。20世纪90年代，同步辐射光源已发展到第三代，亮度提高了10-13个量级。同步辐射源的最大优势在于能产生高准直、高亮度、波长连续分布的 X 射线，已经成为生命、材料、能源、环境等当今多种尖端科学研究不可或缺的大科学装置。

此次用于研究恐龙小尾巴的硬 X 射线来自北京同步辐射装置和上海同步辐射光源。北京同步辐射装置是我国20世纪90年代初建成的第一代同步辐射光源，它的建立开创了我国利用同步辐射开展多种尖端科学研究的先河，奠定了我国同步辐射大科学装置的基础，经过多年发展，我国已经建成北京第一代同步辐射光源、合肥第二代同步辐射光源、上海第三代同步辐射光源。令人振奋的是，国家已经批准，2018年将在北京开始建设国际上最先进的第四代同步辐射光源。

图4. 北京同步辐射 4W1A-X 射线成像实验站的硬 X 射线相位衬度 CT 成像装置

什么是 X 射线相位衬度成像？

衬度

指的是图像上不同区域间存在的明暗程度的差异，也正是因为存在衬度，人眼才能看到各种具体的图像，衬度太低就无法看清图像中的细节。

吸收衬度

由于被照射物体中各个不同的构成部分对 X 射线的吸收不同，形成吸收衬度图像。重元素构成样品对X射线的吸收强，可以获得清晰的吸收衬度图像，而轻元素构成样品（例如生物软组织）对 X 射线的吸收弱，只能获得模糊的吸收衬度图像。

相位衬度

光线在经过物体时，不仅被吸收，而且被折射，样品边缘和内部界面的折射会改变局部光强分布，形成相位衬度图像。虽然轻元素对 X 射线的吸收弱，但是其对 X 射线的折射却比较强，因而 X 射线相位衬度成像特别适合对琥珀化石、生物软组织等轻元素构成样品进行成像。基于轻元素对X射线吸收弱、折射强的原理，X 射线相位衬度成像能以比传统吸收衬度成像高得多的灵敏度对轻元素构成样品进行成像。这种近年来才发展起来的新型成像方法正在迅速地推广应用于生物、医学、材料、能源等众多学科领域，为科学研究、疾病诊断、材料合成等提供强有力的表征手段。参见图5，X 射线相位衬度成像和吸收衬度成像比较。

图5. 北京同步辐射X射线光源拍摄的鱼的吸收衬度像（上图）与相位衬度像（下图）比较。相位衬度成像如此灵敏，甚至能看到鱼鳞片的折射。

什么是 X 射线断层成像？

一般 X 射线的影像只是被照射物不同结构前后相互重叠的一个二维投影像，被照射物内部的各种信息沿 X 射线传播方向叠加在一起，无法获得被照射物内部的三维结构。

为了真实地再现物体内部的三维结构，科学家发明了 X 射线断层成像（简称CT）的方法，即通过X射线旋转照射物体，探测器采集各个方向的投影图像，根据被照射物体不同成分对 X 射线吸收和折射的不同，可用计算机处理各个方向的投影图像，重建物体内部多个断层面影像，将断层影像按顺序层层堆叠即可形成被照射物体的立体影像。把 X 射线相位衬度成像原理与 CT 断层成像技术相结合，就形成了可以观察轻元素构成样品内部三维结构的X射线相位衬度 CT 技术。

高能所科研人员将X射线相位衬度 CT 技术用于琥珀恐龙化石标本的三维成像，在完全避免物理损坏的条件下，从琥珀中分离出小恐龙尾巴的立体影像，为国际研究团队分析研究琥珀中的小恐龙尾巴提供了可能。图6是琥珀恐龙化石标本和从中分离重建出的小恐龙尾巴图像，可以看到小恐龙尾巴竟然是如此清晰，由此可知科学家为何要借助同步辐射硬X射线相位衬度 CT 这个高科技手段对小恐龙尾巴开展深入研究了。

图6. 琥珀恐龙化石标本——小恐龙尾巴的三维重现