Poznávaním života v praveku sa venuje paleontológia. Už viac ako dve storočia paleontológovia usilovne získavajú poznatky o vyhynutých organizmoch. Mnohé informácie sú však menej dostupné, pretože sa nachádzajú v samom vnútri skamenelín. Ako sa k nim teda dostať?
Pred stomi rokmi sa 4. apríla 1916 sa v Čáslavi narodil človek, ktorý zásadným spôsobom ovplyvnil rozvoj česko-slovenskej paleontológie stavovcov a položil základný kameň jej medzinárodnej reputácie. Zdeněk Špinar bol profesorom Karlovej univerzity v čase, keď som ako chlapec s obdivom listoval v knihách ilustrovaných Zdeňkom Burianom a so zatajeným dychom opakovane sledoval Cestu do praveku režiséra Karla Zemana. Keď som sa rozhodol moje sny zmeniť na skutočnosť, prof. Špinar bol jedným z mála, ktorý mal pre moju dinosaurologickú výstrednosť pochopenie. Jeho povzbudenie, cenné rady a vľúdne slovo, ktoré pre mňa našiel i na sklonku života, ma sprevádzajú dodnes. S hlbokou úctou ďakujem.
Zvedaví vedci nemali inú možnosť ako nazrieť napríklad do dinosaurieho vajca, než ho rozrezať. A tak sa v minulosti niekoľko vzácnych skamenelín prepílilo či zbrúsilo doslova na prach. V modernej paleontológii však už môžeme okrem skutočného fyzického rezania skameneliny rozrezať bez toho, aby sme ich poškodili. Ako? Virtuálne.
Začiatky röntgenovej paleontológie
Kde hľadať začiatky virtuálneho zobrazovania? Tie sú nepochybne spojené s objavom Wilhelma C. Röntgena, ktorému sa pred viac ako 120 rokmi podarilo odhaliť existenciu neviditeľného elektromagnetického žiarenia s krátkou vlnovou dĺžkou, ale vysokou energiou. Röntgenové žiarenie pomerne ľahko preniká cez telá organizmov. Zvláštnosťou je, že na rozdiel od mäkkých tkanív tvrdšie a hustejšie tkanivá, napríklad kosti a zuby, ho pohlcujú, čím vytvárajú na snímke obrazy. Tento princíp sa bežne využíva na diagnostiku v lekárstve. S röntgenovou projekčnou rádiografiou, hovorovo povedané s röntgenom, sme sa stretli asi všetci. Netrvalo dlho, keď si paleontológovia uvedomili prínos tejto techniky pre štúdium skamenelín. Skamenelé pozostatky majú bezpochyby väčšiu hustotu než kosti. Vnútorné priestory skamenelín často vypĺňa hornina s podobne vysokou hustotou. No a máme problém! Pretože skamenelina a hornina pohlcujú röntgenové žiarenie s rovnakou intenzitou, na röntgenovej snímke sa nám nedarí odlíšiť kosť od horniny. A má to ešte jeden nedostatok. Röntgenová snímka zaznamená trojrozmerné objekty len v dvoch rozmeroch, čo významne obmedzuje pochopenie toho, na čo sa vlastne pozeráme.
Tento nedostatok odstránil ďalší technologický pokrok – využitie röntgenovej radiácie na zobrazovanie priestorových objektov. Odborníci vyvinuli počítačom riadenú metódu, poskytujúcu trojrozmernú informáciu zobrazovaného objektu. Táto metóda je tiež dobre známa a poznáme ju pod názvom počítačová tomografia (CT). Lekárske CT-skenery sú však určené na diagnostické účely kostry člověka, a preto nie vždy naplnia očakávania paleontológov. Poskytujú obmedzené priestorové rozlíšenie, a tak aj v prípade najlepších zariadení je pomerne zložité pozorovať štruktúry menšie než 0,5 mm. Podstatne lepšie rozlíšenie poskytuje počítačová mikrotomografia (mikroCT). Lepšie rozlíšenie však dosahuje len na menších objektoch. Ak tieto objekty pohlcujú röntgenové žiarenie rovnomerne, paleontológom nepomôžu ani najvýkonnejšie CT, ani mikroCT zariadenia.
Synchrotrónová mikrotomografia
Možno si spomeniete na prípad, keď sa drobné skamenelé kosti zachovali na povrchu kamennej platne – v paleontologickom žargóne ide o takzvanú plochú skamenelinu. Takou sú napríklad nálezy známeho lietajúceho dinosaura archeopteryxa.
Jeho kostrové pozostatky pochovali tony vápencovej horniny na viac ako 140 miliónov rokov. Za ten čas došlo vplyvom tlaku, teploty a chemického zloženia okolitej horniny k významným chemickým a fyzikálnym zmenám. Kostné tkanivo sa premenilo na kameň, a preto absorbuje röntgenové žiarenie rovnako ako hornina. Mala táto premena vplyv na stratu pôvodnej mikroštruktúry kosti? Nemala. Aby sme ju však mohli pozorovať, potrebujeme synchrotrón. Nie hocijaký, ale najmodernejší, synchrotrón tretej generácie, akým je napríklad zariadenie najväčšie svojho druhu, synchrotrón SPring-8 v Japonsku .
Synchrotrón je časticový urýchľovač. Ako funguje? V prvej fáze ide o niekoľkonásobné urýchlenie elektrónov, najprv v lineárnom a následne v kruhovom urýchľovači, pričom ich výsledná energia sa zvýši na neuveriteľných niekoľko GeV (gigaelektrónvoltov)! Takéto elektróny sa nasmerujú do úložného prstenca, v ktorom cirkulujú rýchlosťou svetla. Úložný prstenec sa skladá zo sústavy magnetov, ktoré menia dráhu elektrónov z priamej na oblúkovú. Pri tejto nútenej zmene vyžarujú elektróny časť svojej energie vo forme vysokoenergetického röntgenového žiarenia, ktoré nazývame synchrotrónová radiácia. Toto synchrotrónové svetlo sa vedie špeciálnou optickou sústavou do laboratórií, v ktorých prebieha skenovací experiment.
Jedinečnosť synchrotrónového svetla charakterizujú štyri vlastnosti: monochromatickosť, čiastočná koherentnosť (spojitosť), paralelná geometria a vysoká intenzita. Tieto pojmy sú známe fyzikom, ale mnohým nehovoria vôbec nič. Preložme ich teda do zrozumiteľného jazyka. Po prvé, monochromatickosť významne uľahčuje spracovanie informácií, pretože záznamy o tom, ako vzorka pohlcuje žiarenie, podstatne pravdivejšie odrážajú polohy s rôznou hustotou vo vzorke skameneliny. Po druhé, monochromatický a paralelný zväzok röntgenových lúčov umožňuje vernú rekonštrukciu mikroštruktúry skameneliny bez výrazného vplyvu rôznych geometrických a fyzikálnych skreslení. A po tretie, vysoká intenzita synchrotrónovej radiácie dovoľuje rýchlejšie skenovanie pri zachovaní vysokého rozlíšenia. V praxi to teda znamená, že tieto vlastnosti synchrotrónového svetla vedú k presnému priestorovému mapovaniu aj najmenších detailov skúmaného objektu. Synchrotrónová tomografia má ešte jeden veľký tromf. Dokáže využiť takzvaný fázový kontrast. Tento efekt sa zakladá na možnosti meniť vzdialenosť, ktorou sa šíri synchrotrónové svetlo po prechode objektom skôr, než dopadne na snímač žiarenia. Fázový kontrast je približne 1 000-krát citlivejší ako absorpčný kontrast. Dramaticky zlepšuje citlivosť záznamu, potláča šum a poskytuje neporovnateľnú kvalitu zobrazenia štruktúr aj s nepatrnou odlišnosťou v hustote.
Integráciou ďalej zájdeš
Paleontológovia prichádzajú najčastejšie do kontaktu s pozostatkami kostí, zubov či schránok vyhynutých živočíchov. Tieto pozostatky sú dôležitým zdrojom informácií o vývoji jedinca, jeho veku, dospelosti, pohlavia, rastovej dynamike, metabolizme, potravnej špecializácii, chorobách a rôznych evolučných adaptáciách. Drobné štruktúry kostí a zubov sú však len niekoľko mikrometrov veľké.
Preto boli paleontológovia odkázaní na ich pozorovanie výhradne pod svetelnými mikroskopmi. V súčasnosti mikroskop začína nahrádzať synchrotrónová mikro- a nanotomografia.
V súčasnosti sa napĺňa sen mnohých paleontológov, ktorí môžu nazrieť do mikroštruktúry skamenelín bez toho, aby ich nenávratne poškodili. Jedným z najrevolučnejších využití synchrotrónovej paleontológie je trojrozmerná virtuálna histológia vo vysokom, často submikrónovom, rozlíšení. Fázový kontrast tak môže v niekoľkomilimetrových kostičkách a milimetrových zúbkoch odhaliť znaky toho, ako organizmus rástol, vzory cievneho zásobenia, objekty podobné červeným krvinkám, denné prírastky v zubnom tkanive, vyznačiť úpony svalov či rekonštruovať komôrky, ktoré kedysi obsahovali živé kostné bunky.
Počas niekoľkoročných experimentov som testoval aj rôzne postupy, ako zrekonštruovať skamenelé embryá vnútri vajec. Tieto mimoriadne vzácne skameneliny sú v mnohých prípadoch pre bežnú počítačovú tomografiu neviditeľné pre nízky kontrast medzi…
Pokračovanie článku si môžete prečítať v májovom vydaní časopisu Quark.
Quark si môžete aj objednať tu alebo na adrese: predplatne@guark.sk
Martin Kundrát
vedúci výskumnej skupiny Archosaur Evolution and Development PaleoBiolmaging Lab
Ilustrácia a foto autor
