Lange als das Studium eines Haufens irrelevanter toter Dinge angesehen, sehen wir jetzt eine radikale Transformation in der Paläontologie, der Wissenschaft des ausgestorbenen Lebens.
Aber die Verwendung statistischer Methoden zur Analyse großer Datenmengen und das routinemäßige CT-Scannen von Fossilien zum Aufdecken ihrer winzigen Mikrostrukturen haben völlig neue Forschungsgebiete eröffnet, einschließlich der Frage, wie Säugetiere zu den warmblütigen Milchspendern der modernen Welt wurden /P>
Dank neuer Technologien und Big-Data-Verarbeitung ist das Wissen über ausgestorbenes Leben aus den Grenzen explodiert, auf die es zuvor Stift, Papier und ein scharfes Auge beschränkt hatten. Sie enthüllen die Ursprünge der Tiere, die unseren Planeten definieren, und liefern Ergebnisse, die in allen Bereichen von der Medizin bis zum Naturschutz und zur Eindämmung des Klimawandels verwendet werden.
Viele dieser Methoden werden auf Fossilien aus dem Vereinigten Königreich angewendet – wie die, an denen ich von der Isle of Skye arbeite – und tragen zu umfassenden Revisionen unseres Verständnisses der Evolution wichtiger lebender Gruppen bei, einschließlich unserer eigenen Abstammungslinie.
Die Verwendung von Röntgen-CT-Scans (Computertomographie) ist ein allgegenwärtiger Bestandteil der modernen Paläontologie. Dies gilt insbesondere für Wirbeltiere, kann aber auch für die Untersuchung von Wirbellosen, Pflanzen und Gesteinen selbst verwendet werden.
Manuelle Dünnschliffe sind ein seit langem etabliertes analytisches Werkzeug in der Wissenschaft, das erzeugt wird, indem Materialien so fein geschnitten werden, dass Licht durch sie geleitet werden kann. Der Vorteil der CT ist die Möglichkeit, die Struktur von Fossilien zu beobachten, ohne sie zu beschädigen.
Lesen Sie mehr über Paläontologie:
- Neue Art von Trias-Meeresreptil entdeckt
- Der prähistorische Megalodon war ein Megahai, der „Flossen so groß wie ein ganzer erwachsener Mensch“ hatte
- Der winzige Käfer ist die allererste neue Insektenart, die in versteinertem Kot entdeckt wurde
Der CT-Scan funktioniert nach dem Prinzip der Radiodichte:Teile des elektromagnetischen Spektrums passieren manche Materialien leichter als andere. Materialien, die elektromagnetische Strahlung nicht durchlassen, sind strahlendicht, solche, die dies zulassen, sind strahlendurchlässig.
Für die meisten von uns ist unsere erste und vielleicht einzige Begegnung mit CT medizinischer Natur. In einem herkömmlichen Röntgenbild beispielsweise eines gebrochenen Knochens sehen Sie den Knochen als flache, zweidimensionale Projektion. Es ist äußerst nützlich, kann Ihnen aber nur so viel sagen. Der CT-Scan erzielt ein dreidimensionales Bild, indem er mehrere einzelne Projektionen wie Fotos aus verschiedenen Winkeln erfasst und dann Algorithmen anwendet, um das gesamte Objekt in den x-, y- und z-Achsen digital zu rekonstruieren.
Der allererste CT-Scan im Jahr 1971 machte 180 Einzelbilder, die jeweils fünf Minuten dauerten, und die Rekonstruktion dauerte zweieinhalb Stunden. Heutzutage dauern die meisten CT-Scans, die Paläontologen anfertigen, weniger als eine Stunde – manchmal nur Minuten. Sie variiert je nach Größe und Beschaffenheit des zu scannenden Materials.
Scanner sind heute so alltäglich, dass es sich um einen relativ unkomplizierten, kostengünstigen Ansatz handelt, der eine spektakuläre digitale Animation der fossilen Anatomie für den Einsatz in der Wissenschaft sowie für die Öffentlichkeitsarbeit ermöglicht.
Es gibt ein neues Kind auf dem wissenschaftlichen Block, das zunehmend als Teil des Werkzeugkastens der Paläontologen eingesetzt wird. Es heißt Synchrotron-Scanning.
Synchrotron-Scanning ist CT auf höchstem Niveau, der Superheld der Visualisierung. Materialien, die mit herkömmlicher CT schwer zu unterscheiden sind, können dank der Intensität von Synchrotron-Röntgenstrahlen besser erkannt werden, die Materialien besser durchdringen und schneller Ergebnisse liefern können. Diese Röntgenstrahlen wurden von Elektronen abgelöst, die in die Nähe der Lichtgeschwindigkeit gezoomt wurden, wobei Magnete verwendet wurden, um sie in Röhren, sogenannte Beamlines, zu lenken, wo sie ihr Ziel trafen:das fossile Exemplar.
Diese Form des Scannens wird für alles verwendet, vom Verständnis der Struktur von Enzymen bis hin zum Herausfinden, warum wieder eingefrorenes Eis schlecht schmeckt (es ist die Form der Eiskristalle). Synchrotron liefert auch beispiellose neue Daten über fossile Organismen, einschließlich der von mir untersuchten Säugetiere.
Während meiner Promotion begann ich mit der Arbeit an den Skeletten von Jura-Säugetieren, die in den 1970er Jahren auf der Isle of Skye in Schottland gefunden wurden. Obwohl sie außergewöhnlich selten sind, wurden sie zuvor nicht untersucht und verblieben über 40 Jahre lang in einer Museums-Aufbewahrungsbox. Meine erste Aufgabe war es, Scans ihrer winzigen Knochen zu erhalten. Diese Tiere waren zu Lebzeiten nur handtellerlang und ihre Streichholzskelette sind immer noch von hartem Kalkstein umgeben, der mit herkömmlichen Techniken, wie dem Auflösen des Gesteins in Säure, nicht leicht entfernt werden kann.
Aber nachdem drei Scanversuche mit regulärem CT an Institutionen in ganz Schottland und England fehlgeschlagen waren, gingen mir die Optionen aus. Die Blöcke mit den Fossilien waren zu groß und diese Scanner waren nicht stark genug, um sie zu durchdringen. Ohne detaillierte Bilder wäre ich nicht in der Lage, die Skelette zu rekonstruieren oder ihre zierliche Anatomie zu studieren.
Am Ende brachte ich diese Fossilien zur European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble, wo ich mit einem Spezialisten zusammenarbeitete, um erfolgreiche Scans zu erhalten. Trotz der futuristischen Technologie platzierten wir die Skye-Fossilien in Halterungen aus Teilen von Styroporboxen, befestigten sie mit Klebeband und klebten sie auf einem Bett aus doppelseitigem Klebeband auf die Scanplattform. Es war, als ob Blue Peter Physik macht. Eine Detektorplatte hinter der Probe sammelte die Schattenmuster, die von den Röntgenstrahlen geworfen wurden, als sie hindurchgingen, und schickte sie an einen Computer, um sie zusammenzufügen.
Auf diese Weise haben wir sie dreidimensional abgebildet, innen und außen. Es dauerte 10 Stunden, das wichtigste Fossil mit einer Auflösung von sechs Mikrometern zu scannen – das sind sechstausendstel Millimeter, mehr als genug, um die Arbeit zu erledigen.
Lesen Sie mehr über Fossilien:
- Lucy und Ardi:Die beiden Fossilien, die die Menschheitsgeschichte verändert haben
- Wie man in Großbritannien nach Fossilien sucht
- Könnte es Fossilien auf dem Mars geben?
Synchrotron ist dort erfolgreich, wo herkömmliche CT versagt, und rettet den paläontologischen Tag, aber was machen wir mit den Daten, die wir produzieren? Die offensichtlichste Verwendung für Scandaten ist die einfache Rekonstruktion von Skeletten und anderen Strukturen.
Im Jahr 2018 habe ich CT-Daten verwendet, um einen fossilen Ohrknochen oder Petrosal von Säugetieren zu untersuchen, der kleiner als eine Linse war. Ohrknochen sind wichtig für die Evolution von Säugetieren, weil sie ein außergewöhnliches Spektrum an Hörfähigkeiten haben; von der höchsten Echoortung von Fledermäusen bis zum tiefen Bauchgrollen von Elefanten und Blauwalen. Um zu verstehen, wie sich dieser Audiobereich entwickelt hat, müssen wir die Ohrstrukturen im Laufe der Zeit betrachten.
Ich war nicht nur in der Lage, diesen Ohrknochen aus dem Jura zu rekonstruieren, sondern auch die Bahnen von Nerven und Blutgefäßen zu verfolgen, die sich durch ihn schlängeln. Dies zeigte, wie die Weichteile im funktionierenden Ohr eines Tieres funktionierten, das vor über 166 Millionen Jahren lebte, und lieferte ein weiteres Stück des Entwicklungspuzzles.
Die unerhörten Details, die durch Synchrotron-Scanning enthüllt werden, bedeuten, dass wir noch tiefer in alte Zähne und Knochen blicken können. Die Auflösung ist höher, was es Forschern ermöglicht, winzige Objekte in atemberaubender Detailgenauigkeit zu untersuchen.
In den letzten Jahren hat mein Kollege Elis Newham mit einem Team die Wachstumsringe in den Zähnen uralter Säugetiere untersucht, um herauszufinden, wie lange sie gelebt haben. Diese Ringe, die aus einer Substanz namens Zement gebildet werden, mineralisieren jährlich in Wachstums- und Verfallsmustern, genau wie in einem Baumstamm. Sie wurden von Archäologen verwendet, um alte Menschen zu untersuchen, aber Newham und sein Team zählten sie zu den ersten Säugetieren – Tieren wie Morganucodon , ein mausgroßer Vorfahr aus der späten Trias von Wales.
Das Team von Newhams fand heraus, dass die frühesten Säugetiere über ein Jahrzehnt lebten, was sie nach Maßstäben für kleine Säugetiere zu wahren Urmenschen macht. Kleiner Morganucodon hätte seinen 14. Geburtstag feiern können, ein unerreichbarer Meilenstein für die meisten modernen Säugetiere ähnlicher Größe. Nur bei den ersten Mitgliedern moderner Abstammungslinien verkürzte sich die Lebensdauer erheblich auf wenige Jahre.
Dieser Befund könnte auf den Zeitpunkt einer großen evolutionären Veränderung hinweisen. Die ersten Säugetiere legten wahrscheinlich noch Eier, und ihre lange Lebensdauer deutet darauf hin, dass sie langsamer wuchsen und eine etwas niedrigere Körpertemperatur hatten als die meisten Säugetiere heute.
Die Verkürzung der Lebensdauer im Jura kann mit einem Anstieg des Stoffwechsels und der Ruhekörpertemperatur zusammenhängen; „warmblütig“ werden. Newham und ich wenden diese Technik jetzt an Fossilien aus Schottland an, um zu sehen, welche Geheimnisse sie in ihren winzigen Knirschern bergen könnten.
Also, falls du noch diesen Indiana Jones hast oder Jurassic Park Wenn Sie sich das Bild eines Paläontologen vorstellen, könnten Sie nicht falscher liegen.
Vergessen Sie Peitschen und Gewehre, was echte Paläontologen bei sich tragen, ist ihr Laptop. Sie brauchen vielleicht einen Hut für gelegentliche Feldarbeiten, aber die meisten sollten besser in einen bequemen Bürostuhl investieren, da sie den größten Teil ihres Lebens vor einem High-End-Computer verbringen werden. Sie tippen Code ein, wie die meisten von uns Textnachrichten verfassen, und holen CT-Scans ab, wie gewöhnliche Menschen Kaffee zum Mitnehmen holen.