基于Imaris表面的爪子三维模型检测与打印

进化生物学

加拿大阿尔伯塔大学的Tomonari Kaji及其同事说

这张MicroCT图像显示了Alpheus galapagensis的一个巨大的啮爪，其特征是一个旋转的枢轴关节。爪式有一个独特的柱塞和插座系统，用于喷射水来产生空化气泡。研究人员使用Imaris创建表面，帮助他们可视化关节结构。照片来源:Tomonari Kaji。

有些种类的虾已经进化出一种惊人的能力，可以在不到一毫秒的时间内合上爪子，发出响亮的咔嚓声。之所以会产生这种声音，是因为喷射的水会产生空化气泡，当气泡破裂时，空化气泡会发出破裂的声音。加拿大阿尔伯塔大学的Tomonari Kaji和他的同事们正在使用各种实验和成像分析方法来研究这些咬爪是如何进化的。

抓爪的极端运动需要一种像弹簧一样储存能量的机构和一种能迅速释放能量的闭锁机构。咬爪是一个进化难题，因为爪子要么闭合得足够快，造成空泡，要么不会。这意味着爪子一定是进化出了突然而不是逐渐折断的能力。

为了找出在大多数虾类中发现的简单的捏爪是如何独立地进化到长爪虾科和长爪虾科的咬爪的，研究人员分析了来自19个虾科的114种虾类的爪子。他们的研究结合了先进的成像方法和Imaris分析、3D打印和力学实验。

可视化3D爪结构

利用microCT，研究人员对研究中的每个物种的虾爪进行了成像。使用Imaris，他们为每个形态单元(外骨骼、肌肉等)创建了表面，以帮助他们在三维中可视化关节结构和爪子的配置。这项分析揭示了两种新型的虾爪关节，它们通过让爪子更快地闭合，很可能先于虾爪的折断能力:滑动关节和翘起滑动关节。

这些MicroCT图像显示了联锁的啮爪，Synalpheus dardeaui，一名阿尔法科成员，和Harpiliopsis depressa，一名Palaemonidae成员。两种物种都有滑动关节。照片来源:Tomonari Kaji。

为了确认滑动关节是如何工作的，研究人员使用3D打印技术创建了3D模型，这也将帮助他们了解关闭爪的肌肉是如何参与翘起和能量存储的。研究人员使用Imaris来分割微ct图像，因为它提供了一种简单的方法来创建3D打印所需的3D表面。研究人员首先利用Imaris面罩功能，根据形态单位来分离体积。然后他们使用软件的等值面曲面功能来创建3D打印的等值面，并将这些数据导出为STL文件。

利用3D模型进行的机械实验表明，滑动关节可以促进超快速闭合，并最终进化出“折断”(通过制造空泡来破水)的能力，因为这种类型的关节可以在爪形关节开始闭合之前存储能量。总的来说，研究表明，在简单的夹爪和咬爪之间实现了关键的功能转变，而关节结构上的差异非常小。研究人员表示，细微的变化似乎以一种突然的方式促成了一种全新的功能变化。

获取一个函数视图

Kaji说:“我们的研究结果表明，从功能角度思考进化转变，极大地提高了我们对显著形态转变是如何进化的理解。”“我们在抓挠虾爪中发现的伸缩节可能在需要超高速旋转运动的情况下有一些潜在的工程应用。”bob综合app官网登录

作为下一步，研究人员将在不同的爪子使用机制下培育虾，以测试是否通过增强爪子的喷射/撕咬功能来增强爪子的发育可塑性。他们计划在实验结束时使用Imaris分析来自不同实验组的爪子图像。

研究论文:Kaji T, Anker A, Wirkner CS, Palmer AR. 2018。虾钳超快运动的平行跳跃进化。中国生物医学工程学报。2018年1月8日;28(1):106-113.e4。