Компьютерная визуализация и анализ окаменелостей произвели революцию в изучении вымерших организмов. Новаторские технологии позволяют характеризовать ископаемые в трех измерениях и с беспрецедентной детализацией.
Цифровая революция в палеонтологии
Палеонтология имеет репутацию сухой и пыльной дисциплины, которой препятствует привилегированный доступ к ископаемым образцам, интерпретируемым с точки зрения веры и используемым для доказательства так называемых "адаптивных" историй эволюции.
В последние годы эта дисциплина претерпела революцию благодаря появлению мощных методов цифровой визуализации и анализа ископаемых материалов. Это включает в себя усовершенствование компьютерных технологий и их доступность, а также томографических методов, которые позволили создать серию 2D-секций или срезов через ископаемое и использовать их для 3D-реконструкции образца.
Таким образом, компьютеризированная визуализация и анализ изменяют способ изучения окаменелостей и, как следствие, открывают все более глубокое понимание палеобиологии вымерших групп и основанных на них эволюционных теорий.
Извлечение ископаемых данных из горных пород
Основная проблема, с которой палеонтологи сталкиваются с самого начала своей научной деятельности, является извлечение ископаемого из породы. Традиционный подход заключается в физическом удалении породы из ископаемого с помощью механического метода или используя химические различия между окаменелостями и используя слабую уксусную кислоту для удаления известняка из фосфатных окаменелостей.
Эти методы могут повредить хрупкие структуры, а целенаправленное извлечение определенных элементов может оказаться непростой задачей.
Решение этих проблем заключается в том, чтобы использовать томографический подход, создавая 3D-модель ископаемого из серии 2D-фрагментов.
Характеристика окаменелостей в 3D-изображении
Томография не является последним новшеством в палеонтологии. Его корни уходят корнями в начало двадцатого века, когда методом ручного измельчения окаменелостей, вложенных в породу, останавливались с регулярными интервалами для фотографирования или отслеживания вручную открытых поверхностей. Хотя метод серийного измельчения успешно применялся, степень времени и усилий, необходимых для получения изображения ископаемого ограничили его широкое применение.
Наиболее распространенными являются рентгеновские методы.
Этот метод работает путем получения серии рентгенограмм образца под разными углами, когда образец проникает в него рентгеновским лучом. Полученные проекции затем используются для вычисления серии параллельных срезов, перпендикулярных оси вращения, которые отображают затухание рентгеновского излучения через образец. Полученный набор данных может быть визуализирован и проанализирован с помощью различных пакетов программного обеспечения.
Рентгеновская КТ обеспечивает неразрушающее средство визуализации 3D окаменелостей, что крайне важно при изучении редких или уникальных материалов. В последние годы применение рентгеновской томографии для изучения окаменелостей резко улучшилось.
Эти методы позволили извлечь ископаемые образцы полностью в цифровом виде, а также провести тщательное исследование внутренней анатомии.
Синхротронно-лучевая томография, при которой циклический ускоритель частиц используется для получения чрезвычайно ярких рентгеновских лучей. Синхротронно-лучевая томография в последние годы становится все более популярной в палеонтологии, отчасти потому, что она способна быстро сканировать образцы с исключительно высоким разрешением.
Современные лабораторные системы, включая микротомографию, неизменно используют полихроматические рентгеновские источники, излучающие широкий спектр рентгеновской энергии, что может привести к сканированию артефактов, которые могут усложнить интерпретацию ископаемых структур.
Источники синхротронов, напротив, излучают рентгеновские лучи только одной энергии, что позволяет получать более качественные изображения с более высоким контрастом и меньшим количеством артефактов по сравнению с полихроматическими источниками.
Следовательно сложные образцы, которые обычно не поддаются рентгеновской томографии, могут быть исследованы неразрушающим методом в 3D с высоким разрешением.
Фокусированная томография ионным лучом (FIB),подразумевает последовательное фрезерование и визуализацию на месте очень маленьких участков, представляющих интерес. Этот метод работает аналогично традиционному серийному шлифованию. Затем экспонируемые объекты подвергаются визуализации, часто с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), связанного с инструментом FIB, и получаемые изображения выравниваются и восстанавливаются в цифровом виде для создания 3D-модели.
Нейтронная томография похожа на рентгеновскую томографию, но основана на дифференциальном поглощении нейтронов (вместо рентгеновских лучей) для получения изображения внутреннего пространства образца. Поскольку нейтроны сильно ослабляются некоторыми легкими элементами и легко проникают во многие тяжелые элементы (например, свинец), этот метод подходит для больших ископаемых в плотных, богатых металлами породах и органически сохраненных образцах.
Оптическая томография работает путем освещения светопропускающего образца для получения через него изображений последовательных плоскостей. Этого можно добиться с помощью серийной фокусировки, когда для визуализации используется обычный световой микроскоп или конфокальный лазерно-сканирующий микроскоп. Такой подход применим к небольшим образцам в прозрачной матрице (например, окаменелости в черте или янтаре), но не эффективен для непрозрачных образцов. Преимущество этих подходов заключается в том, что оборудование часто недорогое, портативное и простое в использовании.
Цифровая реконструкция палеобиологии.
Практически все традиционные проблемы, связанные с извлечением ископаемых данных из горных пород, можно решить с помощью современной 3D-изображения. Используя весь спектр методов 3D визуализации, доступных палеонтологам в настоящее время, позволяет получить удивительно высокие характеристики ископаемых с высоким разрешением, которые могут даже превысить пределы сохранности.
В результате теперь можно решить широкий круг ранее трудноразрешимых палеобиологических вопросов.
Виртуальное будущее
Цифровые наборы данных были названы панацеей от проблем ограниченного доступа к ископаемым образцам. В принципе, ими можно обмениваться через Интернет, чтобы сделать их доступными для всего сообщества, обеспечивая палеонтологию открытостью, которой пользуются другие биологические науки.
Рассмотренные методы в настоящее время используются для оценки анатомии и функциональной морфологии в отдельных таксонах.
В будущем снижение стоимости и увеличение доступности компьютерных томографов приведет к тому, что все больше палеонтологов будут иметь доступ к этим методам.