3D打印助力生物学野外研究

来源:ALEX芥末

当第一场雨到达哥斯达黎加西北部的森林时，数百只黄色蟾蜍聚集在这里，开始紧张而短暂的繁殖季节。然而，今年将有少量被称为“机器蟾蜍”的入侵者加入其中。这些机械化两栖动物——通过实验室3D打印获得——可能有助于揭示真正的蟾蜍不同寻常的求爱仪式——背后的秘密。这只是3D打印动物已经开始揭示的许多秘密之一。

“3D打印实际上是在问我们作为野外生物学家可以问的问题。”丹尼尔·门尼尔已经和斯特凡尼·杜塞特一起研究蟾蜍10年了，他说。他们都是加拿大温莎大学的行为生态学家。

几年前，这对夫妇发现，在繁殖季节(持续不到一天)，雄性蟾蜍会从正常的深棕色变成醒目的柠檬黄。他们用手工制作的粘土模型解释了这一现象的原因:向黄色的短暂转变有助于雄性蟾蜍识别保持棕色的雌性蟾蜍。但是现在，研究小组想知道雌性蟾蜍如何在相似颜色的雄性蟾蜍之间进行选择。使用原始粘土模型很难完成这项任务。

让“机器蟾蜍”进来。这些“蟾蜍”是由杜塞的研究生门尼尔和林肯·萨维创造的。在计算机软件的帮助下，从一些照片中扫描出来后，它们被小心地雕刻成非常合适的形状和纹理。萨维3D打印了几份拷贝，并把它们画成雄性蟾蜍，其中一些是亮黄色的，另一些是暗黄绿色的。引擎随机移动这些模型，制造出它们是生物的假象。在机器蟾蜍的帮助下，团队不再需要雕刻单独的粘土模型，也不再需要努力用研究所需的精确颜色来描绘它们。

下雨时，研究小组将设立一个区域，里面有两只不同色调的3D打印雄性蟾蜍，观察野生雌性蟾蜍会选择哪一只。较短的复制窗口意味着时间紧张。门尼尔说，这个团队已经去了哥斯达黎加的野外。"坐在那里凝视天空，等待第一场雨."

在加拿大，卡尔顿大学的生物学家格雷戈里·布尔泰正在用3D打印来回答一个困扰他十多年的问题。布尔泰研究了北方的阿特拉斯龟。这只海龟的雌性可以是雄性的两倍长。布尔泰想知道雄性海龟是否会被体型较大的雄性吸引。但是海龟怪异的天性和在湖底交配的事实使得它们的观察非常困难。

布尔泰团队印制了两个除了尺寸外其他方面都相同的雌性海龟的3D模型，并将它们放在1米远的湖床上。与此同时，他们安装了摄像头来记录野生雄性海龟的反应。正如预测的那样，雄性海龟更频繁地尝试与较大的模型交配。研究人员在最近出版的《动物行为》杂志上报道了这一发现。布尔泰说，在这样的研究中使用活体动物会引入一系列其他难以控制的变量。例如，其中一只动物可能与雄性有“血缘关系”，这将影响它的选择。相反，3D打印“几乎是一个理想的系统”。同时，多份拷贝可以相对便宜地打印出来。这与过去大不相同。以前，研究团队需要艺术家或装饰者来创造每个单独的模型。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的鸟类学家马克·豪伯认为，3D打印使科学家能够在更小的尺度上创建模型。豪伯研究了一种叫做孵化寄生的行为，在这种行为中，鸟类在其他物种的巢中产卵，并让不知情的“养父母”抚养它们的后代。此前，研究人员通过在巢中放置寄生虫卵的石膏和木头模型来研究宿主鸟的反应。然而，使用3D打印，豪伯的团队创造了一个更逼真的鸡蛋。这使得他的团队能够分析仅仅几毫米大小的变化是否会影响画眉将寄生虫卵从巢中扔出的决定。

豪伯说，使用这些新模型也意味着人们可以简单地复制实验。他在网上免费提供鸟蛋的数字模型，这样任何人都可以打印自己的副本并重复这项研究。

然而，使用3D打印的研究小组仍然很少。坦普尔大学的生态学家乔斯林·贝姆(Jocelyn Behm)研究了食肉动物对入侵蜥蜴的反应，他说这可能是因为初学者害怕。贝姆没有将活的外来物种带入生态系统，而是使用了3D打印模型。为了帮助其他研究人员，贝姆上个月分享了它在预先录制的服务器bioRxiv上的经验。“我真的认为3D打印很难，但一旦我学会了，我意识到它并没有那么难。”贝姆说。布尔泰说，使用这项技术的关键是合作。“如果人们不互相交流，他们可能会认为这项技术难以理解，但事实并非如此。”(宗华编译)

《中国科学报》(2018-04-24，第三版国际版)