Introducción:
De los fósiles de plantas que disponemos, algunos de
los mejores conservados son estructuras 3D dentro de nódulos de carbonato (Scott and Rex, 1985).
Debido a que las técnicas convencionales para llegar a la reconstrucción
del resto fósil, llevan implícitas en muchas ocasiones un proceso destructivo,
ha sido necesaria la búsqueda de otros métodos como son las imágenes
radiológicas, son aplicables en algunos casos y no dañan la muestra. Estas
técnicas nos permiten investigar el interior de la estructura y nos muestran
fósiles escondidos en concreciones (Smith et al., 2009;
Sutton, 2008). Las concreciones son la acumulación en el seno de
una roca de sustancias
transportadas en disolución por
el agua que posteriormente se
endurecen.
Las imágenes radiológicas se basan en el principio de atenuación (reducción
de la intensidad debido a la absorción) al penetrar un haz de radiación (como
pueden ser los rayos-x o la radiación de neutrones) a través de una muestra. Al
incidir el haz sobre la muestra obtenemos diferenciados los distintos
materiales del receptor (muestra), en función de la absorción que recoge cada
material. Hay dos problemas principales a la hora de interpretar la imagen
radiológica: la resolución espacial (es decir, la más pequeña estructura
detectable física) y el contraste (es decir, la más pequeña diferencia
detectable en la atenuación).
Cada tipo de radiación,
(rayos-x y radiación de neutrones) tienen sus ventajas e inconvenientes, a
continuación se muestran las cualidades de una frente a la otra:
- La radiación de rayos-x está más extendida y por lo
tanto es más accesible, encontramos tanto instrumentos de pequeña escala para
su uso en laboratorios, como instalaciones a gran escala. Mientras que las
instalaciones de neutrones requieren una energía que solo puede ser
proporcionada por instalaciones a gran escala.
- Los rayos-x pueden lograr un mayor espacio de
resolución (para tamaños de muestra de 1 cm), pero no puede penetrar fácilmente
en muestras grandes, mientras que los neutrones en general, lograr una mayor
penetración pero con menor resolución espacial.
- Por otra parte, las radiografías y los neutrones son
sensibles a diferentes tipos de material: los rayos-x son altamente sensibles a
los metales pesados (por ejemplo: plomo), pero insensible al hidrógeno,
mientras que los neutrones son muy sensibles al hidrógeno pero insensible a
muchos metales.
Por estos motivos se deben considerar ambas técnicas
como complementarias.
En este trabajo que estoy analizando se presentan
nuevos resultados de la utilización de neutrones y la tomografía de rayos x
(concepto que será explicado más adelante) para una imagen tridimensional
conservada en plantas fósiles de la Antártida (Carpenter, 2007). El fósil (una
rama y hojas de una antigua conífera Araucaria) se encajona en un nódulo de carbonato y nunca ha
sido estudiado detalladamente debido a la las dificultades para visualizar todo
el fósil sin dañarlo.
Materiales y métodos
El fósil de la planta utilizado en este estudio
fue sacado de una gran colección obtenida en la isla de Seymour (fig. 1), en la
parte oriental de la Península Antártica. Los fósiles datan de hace 50 millones
de años, cuando el clima global era mucho más cálido y la Antártida, a pesar de
que estaba situada sobre el Polo Sur, se encontraba libre de hielo y cubierta
de bosques (Cantrill et al., 2005; Hayes et al., 2006; Francis et al., 2008).
La región de la Península Antártica en la que se realizó el estudio fue un
boscoso arco volcánico activo, que se encontraba aproximadamente a la misma
latitud que en la actualidad (Francis et al., 2008).
Los estratos que contenían estos fósiles pertenecen a
700 metros de espesor de La Formación la Meseta de finales del periodo más
temprano del Eoceno (Marenssi et al., 1998, 2006). Se formaron a partir de los sedimentos
erosionados por ríos y corrientes en el arco volcánico, que más tarde fueron
depositados en un medio marino somero.
Además de restos vegetales también se encontraron
restos animales, todos estos restos fueron enterrados en el sedimento cargado
de aguas carbonatadas, esto junto con el paso del tiempo llevo a la
cristalización de concreciones de carbonato (Francis et al., 2008).
Estos nódulos de carbonato son de forma irregular y
van desde unos pocos centímetros a decenas de estos de diámetro. Están
compuestos por granos de cuarzo y limos y por clastos de origen volcánico
dentro de una matriz de carbonato de grano fino. Las plantas fósiles se
conservan como ramas en tres dimensiones con hojas, hojas aisladas y madera
permineralizada dentro de la concreción de la matriz. A menudo, sólo una parte
de una rama es visible en el exterior de la concreción, el resto se encuentra
escondido en el
medio.
Algunos nódulos fueron seccionados en finas laminas
para ser analizados mediante el microscopio y poder estudiar la anatomía de la
madera y de las hojas. Estos análisis indicaron que la mayor parte del material
fósil es Araucaria o similares. La
madera ha sido identificado como Araucarioxylon, una género fósil con características similares a la
madera de araucano actual.
Método experimental:
Como se explica al principio del trabajo una
radiografía detecta de las variaciones espaciales en la intensidad de luz que
recoge la muestra al hacer incidir sobre ella un haz de radiación. Gracias a
esto podemos obtener una imagen de sombras en dos dimensiones en la que se nos
muestra un perfil del objeto en una escala de grises.
Un área de alta atenuación podría deberse a que el
objeto es más grueso en esa zona determinada y por lo tanto se produce más
absorción, a que ese área está compuesta por materiales altamente absorbentes o
a una combinación de estos dos motivos. No se puede saber el motivo a partir de
una sola imagen radiográfica. Sin embargo, mediante la grabación de imágenes
desde diferentes ángulos nos permite reconstruir una imagen en 3-D de la
muestra, a esta técnica se le llama tomografía computarizada (TC). Mediante la
tomografía se aprecia cualquier diferencia de espesor, de forma que las escalas
de grises obtenidas en la imagen tomográfica resultante pueden estar
directamente relacionadas con la atenuación. Por lo tanto las áreas más oscuras
y las más claras corresponden a regiones de menos y mayor atenuación
respectivamente.
Comúnmente se utiliza una técnica para estudiar los
fósiles en 3D dentro de los nódulos de carbonato que consiste en cortar la muestra
en secciones y utilizar láminas delgadas o impresiones de acetato para resaltar
la estructura de la planta en cada lámina. Después las imágenes se reensamblan
utilizando técnicas de ordenador para reconstruir toda la planta. Pero está
técnica resulta altamente dañina para el fósil, hasta tal punto que puede
llegar a destruirlo. Por eso, en este estudio se muestran los resultados
mediante radiación de neutrones y la tomografía de rayos-x que nos permiten
visualizar la planta fósil en su totalidad sin dañarla.
Resultados y discusión
En el nódulo de carbonato no es visible exteriormente
la rama fósil objeto del estudio (fig. 1.1), pero mediante la reconstrucción de
la tomografía computarizada se revela la posición interna y la forma del
material fosilizado (fig. 1.2). Es visible el tallo principal, del que se
conservan aproximadamente 8 cm, con hojas curvadas que se proyectan desde el
tallo en una espiral ascendente.
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FIG. 1: 1, fotografía de una muestra de
plantas fósiles dentro del nódulo de carbonato. Los objetos de color marrón
pálido son material de la cáscara fósil; 2, reconstrucción 3D de los datos de
neutrones, que muestran la posición de la rama fósil dentro del nódulo.
Fuente:
Dawson et al, 2014.
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Si comparamos las imágenes tomográficas obtenidas a partir de rayos-x y
neutrones se observa el resultado de imágenes similares a partir del uso de las
dos técnicas.
En estas imágenes se muestra que gran parte del fósil
tiene propiedades de atenuación muy similares a las del aire que rodea la roca
matriz (tanto el aire como las formas fósiles son de color negro, fig. 2), esto
nos indica que el 'fósil' es en realidad hueco y que apenas hay preservación de
la anatomía interna en 3D. Las partes del fósil que se conservan son las paredes
del tallo leñoso, la cutícula de la hoja y pequeñas estructuras
circulares contenidas dentro de varias hojas.
En los datos de neutrones aparecen pequeñas zonas
de alta atenuación (que se muestran en color blanco (Fig. 2.1)). En los datos de rayos-x (Fig. 2.3, se
indica con flechas) estas mismas regiones son indistinguibles. Probablemente la
explicación es que estas regiones contienen
material remanente hidrogenado, elemento al que los neutrones son
altamente sensibles.
FIG.
2: Cortes tomográficos reconstruidas de una rama fósil.
1, imagen transversal obtenidas con neutrones; 3 imagen transversal de
rayos-x. Las
flechas indican la presencia de material orgánico conservada (zonas blancas)
en las hojas fósiles.
Fuente:
Dawson et al, 2014
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Ya se ha mencionado que los tanto los rayos-x como los
neutrones tienen distintas propiedades y por lo tanto distintas ventajas e
inconvenientes, pero en este análisis resulta favorable el uso de neutrones
frente a los rayos-x por los siguientes motivos:
1) los neutrones son sensibles al hidrógeno y por
tanto son capaces de detectar pequeñas cantidades de sustancias con hidrógeno
remanente;
2) las imágenes de rayos-x son artificialmente más
brillantes en los bordes y más oscuras hacia el centro, resultado de que la
muestra es demasiado gruesa para ser suficientemente penetrada por los
rayos-x
3) las imágenes de rayos-x son granuladas,
causado por la escasa penetración de los rayos-x que dan lugar a informaciones
poco concluyentes.
Como consecuencia de estos puntos, las imágenes de
neutrones son mucho más nítidas en todos los bordes y las estructuras dentro de
la matriz de la roca se puede discernir claramente (Fig. 2).
FIG. 3: Reconstrucción tomográfica de
neutrones de la planta fósil. 1, la representación en 3D, que muestra hojas
unidas a una rama dentro de la matriz de la roca; 2, ampliación de las
estructuras.
Fuente:
Dawson et al, 2014
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Conclusiones:
Se ha estudiado una rama fósil de araucano procedente
de la Antártida mediante tomografía de neutrones y de rayos-x. Las
características importantes de la imágenes resultantes son: el fósil se
conserva en su forma original en 3D; la mayoría del fósil es hueco, siendo la
principal excepción las paredes del tallo leñoso; y las áreas de algunas hojas
se muestra más brillantes (atenuación más alta) en los datos de neutrones pero
no en en los de rayos-x. El último punto sugiere la presencia de material
hidrogenado dentro del fósil;
Neutrones y rayos-x son herramientas de
diagnóstico no destructivas con una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la
paleontología.
En este caso, aunque ambos métodos fueron capaces de
mostrar la forma general del fósil, los datos producidos por los neutrones eran
más concluyentes, en gran parte debido a su una mayor penetración a través del
material y su sensibilidad al hidrógeno.
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