动物尸体很少能违抗“尘归尘，土归土”的规律变成化石——即使变成了化石，它们也无法长期保持坚固。当古生物学家接触到古代遗骸时，化石已经非常脆弱。因此，几十年来，研究人员倾向于使用复制品进行细致的分析。但在过去十年中，3D打印技术实现了一种新的解决方案：打印头骨和骨骼的副本。
“我的研究领域是高等灵长类动物的进化，”古人类学家埃里克·德尔森说，他使用数字模型和位于纽约市雷曼学院的 Objet Eden260 打印机来制作灵长类动物骨骼的模型。3D打印技术使他能够在不损坏原件的情况下制作精确的复制品，并生成更大尺寸的化石版本，甚至重建丢失的骨骼。事实上，3D打印机用作模板的数字模型使得重新创造早已失落的祖先灵长类动物的遗骸成为可能，通过打印出未能形成化石的骨骼的计算重建模型，使传统的模型制作方法相形见绌。
通常，古生物学家通过用液态橡胶（乳胶或硅胶）覆盖古代头骨或碎片来制作模具。然而，如果材料过于紧密地附着在化石表面，或者粘性材料在真空环境外干燥，这些模具有时会产生不精确的凸起或气泡。制作模具是一个耗时的过程，因为研究人员和技术人员必须缓慢而小心地工作，以避免损坏脆弱的骨骼。尽管付出了劳动，但即使是一个成功的模具在生产约六到十二个复制品或铸件后也会很快变得无用；随着时间的推移，模具的磨损会阻止铸造出与化石形状高度吻合的复制品。
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“那些铸件很好，”德尔森说，“但它们需要同样专业的人员、设备和护理，以确保您不会损坏[化石]。”
另一方面，要使用 3D 技术复制化石，您甚至不需要触摸原始头骨。CT 扫描仪或激光扫描仪可以捕捉头骨表面，而无需用粘性物质覆盖它。激光扫描仪将光束照射到头骨上，光束反射回扫描仪上的传感器，将表面划分为大约一百万个点，扫描仪可以将这些点重建为表面。计算机断层扫描 (CT) 则用 X 射线代替光线，将形状划分为横截面，而无需物理接触它。
由于 3D 打印涉及使用数字模板，因此该程序可以创造的不仅仅是复制品：它可以放大或缩小其复制的副本。“3D 打印机修改尺寸的能力是它在研究和教学方面的一大优点，”德尔森说。一块刻有楔形文字的小石碑可能会给想要阅读它并研究刻字深度的研究人员带来困难。但是扫描石碑会产生一个可延展的数字版本，它可以扩展到原始大小的两倍，以帮助研究人员更好地理解它是如何制作的。
数字模型也使重建变得更容易。以 20 世纪 70 年代在埃塞俄比亚发现的著名的前智人 hominin 遗骸为例，南方古猿阿法种，昵称露西：尽管已经挖掘出数十块露西的骨骼，但大约 60% 的骨骼已经缺失。为了模拟完整的化石，研究人员不得不重建缺失的部分。例如，如果他们出土了右手但没有左手，则可以扫描右肢，并将生成的数字模板翻转成镜像，这样就可以打印出左手的塑料模型。该地区其他南方古猿的遗骸也已成为数字模板：较大个体的椎骨可能尺寸不适合露西的骨架，但可以缩小数字扫描以适合，然后打印出来并安装到位。数字打印和 3D 模型使研究人员能够创建比雕刻等传统方法更精确的复制品。
三维打印技术使得复制已经不存在的南方古猿骨骼成为可能，这些骨骼在数千年前就已经腐烂消失了。但是，对于古生物学家从未发现过的物种的骨骼呢？人类进化的研究依赖于化石记录，但绝大多数古代头骨和骨骼都已化为尘土，而不是成为化石流传后世。数字建模可以将它们——或者至少是它们的复制品——从灰烬中复原。
当然，仅靠数字建模是不够的：还需要其他工具。也许最重要的工具是使用进化树，这是一种物种的“家谱”。灵长类动物进化树可以追溯到大约 6500 万年前——但研究人员究竟是如何重建它的呢？要理解这棵树，从简单的家谱开始会很有帮助。
孩子的 DNA 直接来自他们的父母，并且由于兄弟姐妹共享相同的 DNA 来源，他们的基因非常相似。他们的外祖父母通过他们的母亲贡献了他们的 DNA，并通过他们的姑姑贡献了他们堂兄弟鲍勃的 DNA。因为他们与鲍勃共享一个共同的 DNA 来源，所以他们的 DNA 也会相似——但不如兄弟姐妹共享的 DNA 那么相似，因为鲍勃和他的堂兄弟姐妹共同拥有的 DNA 来源比兄弟姐妹共享的 DNA 来源远一代。一般来说，堂兄弟姐妹与共同祖先之间相隔的世代（或地质，在进化的意义上）时间越多，他们的 DNA 中就会出现更多的差异。其中一个兄弟姐妹和鲍勃的孩子的后代将是二代表兄弟姐妹，与共同 DNA 来源相隔一代，因此他们彼此之间的亲缘关系会更疏远。
研究人员可以在查看现代灵长类动物的 DNA 序列时使用这些遗传信息。例如，人类的 DNA 与黑猩猩的 DNA 比人类与大猩猩的 DNA 更相似。相对而言，如果人类和黑猩猩是堂兄弟姐妹，那么大猩猩就是我们的二代表兄弟姐妹。应用家谱的见解，这种区别表明人类和黑猩猩共享一个祖父母，而人类、黑猩猩和大猩猩拥有相同的曾祖父母。人类和黑猩猩的最后共同祖先比人类、黑猩猩和大猩猩的最后共同祖先生活得更近。
因此，比较不同灵长类动物的 DNA 可以让科学家们直观地了解灵长类动物的进化过程。猩猩的 DNA 与人类 DNA 的差异甚至更大，这表明猩猩与人类的最后共同祖先比人类与大猩猩的最后共同祖先生活得更久远。随着越来越多物种的 DNA 被比较，一棵树就出现了。但 DNA 并不是比较物种的唯一方法。
“形态测量学”是对生物体形态的研究，德尔森专注于一个名为几何形态测量学的子领域来描述他的标本。这种方法记录头骨表面上某些“地标”坐标，创建一个三维框架，该框架编码有关头骨形状和大小的信息。通过比较各种物种和标本的 3D 框架，德尔森和他的同事们可以量化它们之间的亲缘关系有多近。
当新的灵长类动物化石被发现时，DNA 检测很少有可能：通常没有可用于检测的组织。相反，测年方法（检查放射性元素（如放射性碳）的衰变）可以揭示标本的生存年代，而这个时间窗口，以及形态测量学（将遗骸的形状与其他化石和已知物种进行比较），可以帮助研究人员确定其在进化树上的位置。但是，尽管这些化石符合进化树的某些节点，但其他节点仍然空白——作为某些分支的直接祖先的灵长类动物已经死亡和腐烂，没有进入化石记录。当涉及到重建这些祖先灵长类动物的头骨时，数字建模就显得尤为重要。
德尔森的几何形态测量学可用于推断和创建进化树上每个头骨的 3D 坐标系。根据这些形状，他，或者更确切地说，他的计算机程序，可以反向推断祖先头骨的样子。他使用进化树来确定较老的头骨应该与现代灵长类动物的头骨有多相似：它将更接近亲缘关系更近的头骨的形状，尽管较远的后代也可以提供关于头骨轮廓的信息。一旦程序确定将使用哪些头骨来找到最终产品，以及每个贡献头骨的重要性，它就可以结合它们的形态测量框架来推断祖先头骨的框架——并从框架中推断出实际头骨的样子。最后，德尔森可以将数字重建模型插入 3D 打印机，以生产出不再存在的头骨的化石复制品。
3D 打印机是如何工作的？请继续阅读：“3D 打印技术取得进展：打印机如何制作化石？”