基于CT扫描3D打印模型的河龟壳适应性权衡生物学教学实验

《Integrative Organismal Biology》：Turtle shells, trade-offs, and t-tests: using 3D-printed models to explore morphological evolution and its functional consequences

　　

摘要

河龟（Pseudemys concinna）是一个新颖且引人入胜的研究系统，适合在生物学教学实验室中用于研究适应性与权衡关系。该龟种分布于美国东南部，既栖息于缺乏捕食者的快速流动（lotic）水域，也栖息于有短吻鳄出没的缓流（lentic）水域。我们利用高分辨率CT扫描技术，根据已发表文献中的壳拱度比率（高度/长度）范围，制作了P. concinna龟壳的逼真3D打印模型。学生首先对两组（即两个种群）龟壳进行定性观察，随后进行测量，并使用Excel计算比率、创建箱线图，并进行t检验。在确定两个种群间的观测差异是否具有统计学显著性后，学生阅读一篇简短的期刊文章，该文提出了解释龟壳比率差异的机制，即壳强度和流体动力学效率。学生随后对这些预测进行测试：壳强度通过使用易拉罐粉碎机测量龟壳在突然结构失效前所能承受的力来测定；流体动力学效率通过记录龟壳穿过水柱所需的时间来测量（作为流体阻力的一种代理指标）。这些数据由学生两人一组收集，然后合并为班级数据集进行分析。实验结束时，要求学生就较高壳（高比率壳，适应有捕食者的lentic水域）与较矮壳（低比率壳，见于无捕食者的lotic水域）之间的权衡关系得出结论。

在本实验中，学生收集数据、创建箱线图、进行多次t检验、阅读文献、测试预测，并就一个自然系统得出结论。使用CT扫描生成高质量3D打印模型使本实验在任何拥有3D打印机的机构都可开展。