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.
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.
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