sábado, 30 de agosto de 2014

La revolución digital en paleontología

La paleontología tiene la reputación de ser una disciplina vieja, sin embargo, en los últimos años se ha revolucionado por la aparición de métodos de gran alcance para la visualización digital y el análisis de material fósil. Como consecuencia de la aplicación de estas técnicas, los estudios paleontológicos están a menudo a la vanguardia de la investigación anatómica. De hecho, algunas especies fósiles están ahora mejor caracterizadas en términos de su anatomía y de su desarrollo que sus homólogos con vida.
Además, la morfología funcional de los organismos fósiles, ahora se puede evaluar objetivamente a través de análisis funcionales cuantitativos que permiten obtener pruebas definitivas de lo que hasta ahora eran hipótesis inverificables en paleobiología.

Por lo tanto, la visualización y el análisis asistido por ordenador está transformando la manera en que los fósiles son estudiados y, en consecuencia, revelando cada vez mayores conocimientos sobre las teorías de extinciones de grupos y las teorías evolutivas que se basan en el estudio de estos.

En este artículo se examinan los avances que han hecho posible esta revolución y se discuten los tipos de investigación paleontológica que ahora pueden abordarse mediante métodos computacionales.


La extracción de datos fósiles de las rocas

Un problema importante que ha obstaculizado a los paleontólogos desde el comienzo de la ciencia ha sido cómo extraer los fósiles de su roca huésped. El enfoque convencional es eliminar físicamente la roca del fósil utilizando un método mecánico o químico (Leiggi and May, 1994).
Sin embargo, hay un número de dificultades asociadas con el aislamiento de los fósiles mediante estas técnicas. Se pueden dañar estructuras delicadas, y la extracción selectiva de características particulares no es sencilla. En otros casos, se ha eliminado el tejido blando excepcionalmente conservado para estudiar el hueso o concha, siendo los tejidos blandos los restos fósiles más significativos. Además, estas técnicas no permiten el estudio de la anatomía interna.

Una solución a estos problemas es la imagen tomográfica, la creación de un modelo 3D del fósil a partir de una serie de cortes en 2D. Esta metodología permite caracterizar la anatomía de los fósiles con un detalle sin precedentes.

Existen varias técnicas no destructivas para caracterizar las trazas fósiles en 3D (que se resumen en la Tabla 1), pero los rayos X es, con mucho, la más común. De hecho, el uso de rayos X para el estudio de los fósiles tiene una historia relativamente larga;  pocos meses después de su descubrimiento en 1895, los paleontólogos habían comenzado su explotación para examinar materiales difíciles de preparar. Sin embargo, no fue hasta finales del siglo XX cuando se realizó una tomografía computarizada (TC) en la paleontología (Wind, 1984; Conroy and Vannier, 1984). Este método funciona mediante la obtención de una serie de radiografías (proyecciones) de un espécimen en múltiples ángulos siendo penetrado el espécimen por un haz de rayos X. La proyecciones resultantes se utilizan para generar computacionalmente una serie de cortes paralelos perpendiculares al eje de rotación. El conjunto de datos finales pueden ser visualizados y analizados usando una variedad de paquetes de software (resumidos en Tabla 2).

Tabla 1.

Los estudios de tomografía de rayos X  se centraron muy pronto en caracterizar digitalmente fósiles macroscópicos que se habían extraído de la roca huésped. Aunque las imágenes eran de baja resolución, y por lo tanto no se podía visualizar los detalles anatómicos finos en muchos fósiles importantes, especialmente en muestras microscópicas. En los últimos años, sin embargo, la utilidad de la tomografía de rayos X para el estudio de los fósiles ha mejorado drásticamente. Estos métodos han hecho posible separar especímenes fósiles de su roca huésped de forma totalmente digital (Fig. 1) y también examinar la anatomía interna en gran detalle.

Fig. 1: Pasos individuales en el proceso de restauración y reconstrucción digital ejemplificado por un modelo del cráneo del Erlikosaurus andrewsi. (A) fósil original (mandíbula inferior omitida debido a la desarticulación). (B) representación digital del fósil. (C) Restaurado de la anatomía craneal. (D) Cráneo restaurado con  mandíbula y músculos abductores reconstruidos. (E) modelo final basado en los elementos de (C) y (D). La longitud del crñaneo es de 260 mm. Fuente: Cunningham, 2014.

El uso de las Micro-CT es muy amplio, ya que la tecnología es capaz de lograr resoluciones de unas pocas micras o menos y es aplicable a una gran gama de tamaños y composiciones.
Una de los más potentes de todos los métodos de tomografía es la tomografía sincrotrón-radiación, este método consiste en el uso de un acelerador de partículas para generar rayos X extremadamente brillantes. Sus principales ventajas son que es capaz de escanear rápidamente las muestras a altas resoluciones; y que solo emiten rayos X de una sola energía (es decir, monocromáticos), lo que permite una mejor calidad de imagen con mayor contraste. De esta manera, especímenes que normalmente no serían susceptibles a una radiografia (es decir, aquellos con bajo contraste) se pueden estudiar de forma no destructiva en 3D a alta resolución (Friis et al., 2007; Tafforeau and Smith, 2008).

Para algunos fósiles, las resoluciones que se pueden lograr mediante una tomografía de rayos X, incluso con un sincrotrón, es insuficiente para resolver completamente los detalles conservados. En tales casos, se puede aplicar un método alternativo: la tomografía de haz de iones enfocados (FIB), proporciona la mayor resolución de todas las técnicas tomográficas modernas. La tomografía FIB implica la molienda secuencial in situ. Hasta la fecha, se ha utilizado en raras ocasiones (en paleontología) para caracterizar superficies microscópicas de fósiles en 3D (Schiffbauer and Xiao, 2011).                                                                       El principal problema de este método es que requiere mucho tiempo, a pesar de esto es un método no destructivo y con gran potencial para el estudio de microfósiles y detalles de fósiles más grandes (microestructura e histología).

Otro método tomográfico también usado en paleontología es la tomografía de neutrones, es similar a la CT de rayos X, pero se basa en la absorción diferencial de neutrones de la imagen del interior de un espécimen (en lugar de rayos X). (Se amplían sus características en la siguiente entrada: "Fósiles a través de rayos-x y de la radiación de neutrones" )

El último método es la tomografía óptica la cual ilumina una muestra con el fin de obtener planos sucesivos de imágenes. Puede ser válido para estudiar muestras en una matriz translúcida (por ejemplo, fósiles en sílex o ámbar), pero no es eficaz para muestras opacas.

Ninguno de estos métodos de tomografía es destructivo, pero requieren el acceso a equipos e instalaciones especializadas. Estas restricciones, muy probablemente limitarán su captación en paleontología. Además, en muchos casos, el acceso al interior del fósil no es un requisito de estudio paleontológico, por ejemplo, si solo las características superficiales son de interés.                                                                                             En estos casos, se pueden emplear métodos no destructivos  para crear imágenes en 3D tales como técnicas de exploración de superficie que recogen los datos geométricos de una superficie 3D a distancia. Estos enfoques tienen la ventaja de que el equipo es a menudo barato, portátil y fácil de usar.

Por lo tanto cada estudio paleontológico concreto requiere un equipo y unos métodos de estudio determinados.


Reconstrucción digital

Casi todos los problemas tradicionales asociados con la recuperación datos de fósiles en las rocas se pueden superar con imágenes en 3D. En consecuencia, una amplia gama de la paleobiología con preguntas previamente intratables ahora se pueden abordar.

Las técnicas tomográficas pueden ser utilizadas para caracterizar la anatomía interna de los fósiles conservados tridimensionalmente con resoluciones de escala micrométrica (Abel et al. 2012; Donoghueet al. 2006; Schiffbauer and Xiao, 2011), lo que permite el estudio de estructuras que antes hubieran sido imposibles de visualizar y proporciona caracteres adicionales para las comparaciones con especies modernas y  los análisis filogenéticos.

En algunos casos, la caracterización de los fósiles en 3D permite inferenciar el comportamiento de los organismos (Domínguez Alonso et al., 2004; Zelenitsky, et al. 2009); También se pueden utilizar para estudiar el desarrollo de los organismos fósiles (Rücklin et al., 2012; Schmidt, et al., 2012); Además, los datos 3D son de gran valor para la comprensión de los procesos de fosilización, permiten desentrañar la estructura biológica original y separarla de los procesos geológicos que ha sufrido el organismo (Falkingham, 2012; Wacey et al., 2012); Por último, las imágenes en 3D de fósiles pueden servir de base para reconstruir digitalmente organismos fósiles con mayor precisión (Fig. 1).


Análisis funcional de los organismos fósiles

Uno de los objetivos clásicos de la paleontología ha sido comprender como los organismos extintos se movían, se alimentaban, en definitiva como vivían. Para llegar a estas conclusiones se utilizaban los  datos sobre su anatomía, lo cual en muchas ocasiones hacía difícil la tarea de establecer hipótesis sólidas.

Sin embargo, las imágenes tomográficas han servido una vez más para revolucionar este aspecto, mejorando la forma de investigar y de obtener resultados (Fig. 2).

Los distintos métodos de análisis en este campo son los siguientes:

 - Análisis de elementos finitos (FEA): ayuda a entender la alimentación y locomoción en taxones fósiles. Este enfoque puede reconstruir la tensión y la deformación en estructuras digitales, incluidos modelos de fósiles. De tal forma que se le asigna a un modelo digital con propiedades físicas similares a las de los elementos vivos y así la tensión implícita se pueden calcular computacionalmente (Rayfield, 2007);

- Dinámica de fluidos computacional (CFD): es una técnica utilizada para probar diversas hipótesis relativas al rendimiento de los organismos extintos en ambientes acuáticos;

- Análisis de dinámica de sistemas multicuerpo (MDA): permite establecer modelos sobre el movimiento y el comportamiento dinámico, interconectado con órganos como músculos y huesos (O’Higgins et al., 2011; Bates and Falkingham,  2012).

 
Figura 2. Resumen de los pasos principales involucrados en el análisis funcional a través de modelos computarizados. (A, C, E, G) Erlikosaurus andrewsi (longitud de la muestra 260 mm). (B, D, F, H) Protocinctus mansillaensis (longitud de la muestra 23 mm). (A, B) Las fotografías originales de los especímenes fósiles. (C, D) reconstrucciones digitales de los  fósiles basados en la tomografía computarizada de rayos X. (E, F) análisis de elementos finitos generados a partir de reconstrucciones digitales. (G) análisis de elementos finitos de la fuerza de mordida. (H) simulación de rendimiento hidrodinámico. Fuente: Cunningham, 2014.


Gracias a estas técnicas ha sido posible establecer estudios científicos en los que la manipulación de datos digitales es relativamente sencilla y  que aportan nuevos enfoques y datos a la paleontología.


Un futuro virtual

Este nuevo concepto de investigación supone nuevos retos a la hora de publicar resultados y conclusiones.
Hasta ahora no hay un consenso sobre que es lo que se debe hacer exactamente con los datos, lo que plantea varias cuestiones.

En primer lugar se plantea si todos los datos digitales obtenidos a partir del estudio deben compartirse. Muchas otras ciencias disponen de bases de datos digitales, pero en el caso de la paleontología no hay una opinión común. Una parte está a favor de poner todos los datos a disposición de la comunidad científica, y de esta forma que otros investigadores puedan verificar y usar dichos datos en posteriores estudios. Sin embargo son otros los que exponen que deben estar al menos un tiempo en manos de los investigadores que los han extraído para hacer análisis adicionales y sacarles su máximo provecho.

Otra de las  preguntas es si en el caso de que los datos deban ser compartidos cuando y en que formato debe hacerse. No hay un formato predeterminado para publicar datos tomográficos. Además aunque sea voluntad del investigador y tenga el formato adecuado no siempre es posible compartirlos con total libertad. En este apartado entran cuestiones jurídicas. Cuando se quiere hacer un estudio sobre un ejemplar de museo en muchas ocasiones se requiere a investigadores que los datos obtenidos en el trabajo pasen a formar parte de la propiedad intelectual de la institución, la que rara vez tiene infraestructura para almacenar y distribuir esos datos. Con esta política sería complicado poner de acuerdo a museos y editores sobre quien tiene el derecho de la distribución.

Otro problema sería el coste que supondría establecer una gran base de datos en la que se puedan almacenar todos los resultados. Su creación y mantenimiento tendría un precio muy elevado. (Ya existen algunos sitios web para datos tomográficos por ejemplo, www.paleo.esrf.eu, www.digimorph.com, www.datadryad.org). Además estos datos raramente son utilizados, pero por otra parte sería una manera fácil de evitar los fraudes científicos y una manera más ecológica de almacenamiento.

Sin embargo, las limitaciones actuales más importantes en la lectura el registro fósil radican principalmente, y de forma irónica, en los pobres conocimientos de la anatomía de la biota actual.


Bibliografía:

- Cunningham, J. TRENDS IN ECOLOGY & EVOLUTION. 2014. A virtual world of paleontology. Science. 29 (6), 347-357.


- Abel, R.L. et al. (2012) A palaeobiologist’s guide to ‘virtual’ micro-CT preparation. Palaeontol. Electron. 15, 6T 23.

- Bates, K.T. and Falkingham, P.L. (2012) Estimating maximum bite performance in Tyrannosaurus rex using multi-body dynamics. Biol. Lett. 8, 660–664.

- Conroy, G.C. and Vannier, M.W. (1984) Noninvasive three-dimensional computer imaging of matrix-filled fossil skulls by high-resolution computed-tomography. Science 226, 456–458.

- Domínguez Alonso, P. et al. (2004) The avian nature of the brain and inner ear of Archaeopteryx. Nature 430, 666–669.

- Donoghue, P.C.J. et al. (2006) Synchrotron X-ray tomographic microscopy of fossil embryos. Nature 442, 680–683.

- Falkingham, P.L. (2012) Acquisition of high resolution three- dimensional models using free, open-source, photogrammetric software. Palaeontol. Electron. 15, 1T.

- Friis, E.M. et al. (2007) Phase-contrast X-ray microtomography links Cretaceous seeds with Gnetales and Bennettitales. Nature 450, 549–552.

- Leiggi, P. and May, P. (1994) In Vertebrate Palaeontological Techniques (Vol. 1), Cambridge University Press.

- O’Higgins, P. et al. (2011) Combining geometric morphometrics and functional simulation: an emerging toolkit for virtual functional analyses. J. Anat. 218, 3–15 57.

- Rayfield, E.J. (2007) Finite element analysis and understanding the biomechanics and evolution of living and fossil organisms. Annu. Rev. Earth Plant. Sci. 35, 541–576.

- Rücklin, M. et al. (2012) Development of teeth and jaws in the earliest jawed vertebrates. Nature 491, 748–751.

- Schmidt, D.N. et al. (2012) Linking evolution and development: synchrotron radiation X-ray tomographic microscopy of planktic foraminifers. Palaeontology 56, 741–749.

- Schiffbauer, J.D. and Xiao, S. (2011) Paleobiological applications of focused ion beam electron microscopy (FIB-EM): an ultrastructural approach to the (micro)fossil record. In Quantifying the Evolution of Early Life: Numerical Approaches to the Evaluation of Fossils and Ancient Ecosystems (Laflamme, M. et al., eds), pp. 321–354, Springer.

 - Tafforeau, P. and Smith, T.A. (2008) Nondestructive imaging of hominoid dental microstructure using phase contrast X-ray synchrotron microtomography. J. Hum. Evol. 54, 272–278.

- Wacey, D. et al. (2012) Taphonomy of very ancient microfossils from the  _3400 Ma Strelley Pool Formation and  _1900 Ma Gunflint Formation: new insights using a focused ion beam. Precamb. Res. 220, 234–250.

- Wind, J. (1984) Computerized X-ray tomography of fossil hominid skulls. Am. J. Phys. Anthropol. 63, 265–282.

- Zelenitsky, D.K. et al. (2009) Olfactory acuity in theropods: palaeobiological and evolutionary implications. Proc. R. Soc. Lond. B: Biol. Sci. 276, 667–673. 


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