Jak oživit zkameněliny

Zkameněliny nám poskytují jediný přímý důkaz o prehistorickém životě. Pro paleontology, kteří se snaží rekonstruovat způsob života, chování a anatomii dávno vyhynulých živočichů, jsou nejdůležitějším zdrojem informací.

Trojrozměrně zachované fosilie jsou pro úplné pochopení biologie organismů stěžejní. Na určitých typech lokalit se nalézají poměrně hojně, ale práce s nimi může být velmi obtížná. Po desetiletích pečlivého studia velkého množství podobných nálezů způsobil současný technologický pokrok doslova vědeckou revoluci v tomto oboru. Nejmodernější techniky nám konečně umožňují prozkoumat trojrozměrně zachované nálezy pomocí „virtuální paleontologie“ čili metodami založenými na zpracování digitálních dat.

Výzkum trojrozměrných fosilií

Trojrozměrně zachované zkameněliny jsou pro vědce bohatým zdrojem informací. Jsou však často křehké, pohřbené v okolní hornině, a proto v podstatě nedostupné. I když je někdy lze z horniny vypreparovat téměř bez poškození, stále nám poskytují informaci jen o vnější stavbě kdysi žijícího organismu, o jeho povrchu, zatímco vnitřní stavba zůstává skryta. Trojrozměrné zobrazování vnitřních struktur zkamenělin (např. stavby vnitřní kostry a měkkých tkání svalů a orgánů) je pro jejich interpretaci klíčové, ale za použití tradičních metod bylo dlouho problematické. „Virtuální paleontologie“ přináší řešení díky využití speciální tomografické techniky, pomocí které se vytvoří sada digitálních obrazů z tenkých řezů zkamenělinou. Tyto řezy mohou být rovnou využity ke zkoumání objektu nebo se použijí jako podklad k vytvoření trojrozměrné počítačové rekonstrukce („virtuální fosílie“), kterou lze podle libosti otáčet, zvětšovat, „pitvat“ – zkoumat ji tak, jak žádnou skutečnou fosilii nemůžete. Samozřejmě tato technika neslouží jen ke studiu nepříznivě zachovaného materiálu, ale je využívána i k revizi jakýchkoliv trojrozměrně zachovaných nálezů.

Existuje několik metod, díky nimž můžeme získat zmiňované řezy. Tradičně byly připravovány postupným fyzickým odkrýváním zkameněliny broušením nebo řezáním a fotografováním jejího povrchu. Ačkoliv byla tato pracná a časově velmi náročná metoda ve své době užitečná, důsledkem bylo úplné zničení fosilie. Pro paleontologické výzkumy jsou mnohem slibnějšími nedestruktivní skenovací technologie. Mezi ně patří například neutronová tomografie, magnetická rezonance a především počítačová tomografie. Právě tu je v paleontologii možné použít na široké spektrum různě zachovalých zkamenělin všech velikostí.

Počítačová tomografie

Počítačová tomografie (CT) je snímkovací metoda, která je běžně používána v nemocnicích pro diagnostiku vnitřních zranění či chorob. Postupem času se její využití rozšířilo i mimo medicínské obory. Je relativně rychlá, levná a především nedestruktivní (vzorek je zpracováván bez jakéhokoliv poškození). Poskytuje nám detaily vnitřní i vnější struktury objektů, a je tedy ideální pro zobrazování nenahraditelných nálezů.

Tomografy používané v medicíně využívají nízkoenergetické rentgenové záření a krátké expoziční časy, aby nedocházelo k zbytečnému vystavení pacienta vysokým dávkám radiace. Tomografy využívané mimo medicínu však žádné takové limity nemají. Přístroj musí být nastaven tak, aby dokázal prozářit horninu a poskytnout obrazy s vysokým rozlišením, které rozliší i detaily menší než setina milimetru.

Během skenování se vzorek otáčí o 180° nebo 360° a je ozařován rentgenovými paprsky. Při průchodu horninou se paprsek zeslabuje (částečně pohlcuje a rozptyluje); míru oslabení lze sledovat trojrozměrně pomocí počítačového programu. Zeslabení rentgenového záření je přímo úměrné hustotě zkoumaného vzorku, a tudíž je přístroj schopen rozlišit rozdílné materiály, jako jsou například fosilie a okolní hornina (za předpokladu, že se skládají z poněkud odlišného materiálu).

Výsledkem skenování je několik set až několik tisíc snímků (řezů), z nichž se rekonstruuje trojrozměrná virtuální fosilie. Pro paleontology je využití lékařských tomografů zajímavé v případě skenování velkých obratlovců a jejich částí (např. dinosauřích čelistí). Miniatura počítačového tomografu, označovaná jako počítačový mikrotomograf (microCT), je vhodná pro skenování menších obratlovců, rostlin a bezobratlých.

Skvělým příkladem současného výzkumu využívajícího počítačovou mikrotomografii je studium fosilních členovců (hmyzu, pavouků, korýšů) z karbonských uhlotvorných močálů Velké Británie a Francie (stáří 359–299 milionů let). Pozůstatky těchto živočichů se nacházejí jako dutiny v sideritových konkrecích (útvarech vzniklých vysrážením uhličitanu železnatého v hornině). Dříve se nodule jednoduše roztloukaly a vědci zkoumali jen povrch těchto dutin, což poskytovalo pouze velmi omezené informace. Díky počítačové mikrotomografii se ale podařilo věrně rekonstruovat anatomii těchto pavoukům a švábům podobných živočichů. Výzkum odhalil i některé nové detaily, které umožnily poměrně přesnou rekonstrukci jejich těl. Přispěl i k lepšímu porozumění celému ranému suchozemskému ekosystému a pomohl objasnit evoluční vztahy a historii členovců. Například počítačová rekonstrukce sekáčů ukazuje, že jsou velmi podobní dnes žijícím formám. Proto se předpokládá, že u nich během posledních 300 milionů let došlo jen k malým evolučním změnám.

Počítačové modely

Virtuální fosilie jsou novým vzrušujícím zdrojem pro paleontologický výzkum. Ačkoli byly původně zamýšleny jen jako nástroj pro řešení problémů způsobených nepříznivým zachováním, v některých ohledech nám poskytují lepší zdroj informací než skutečné fosilie. Proto je jejich využití v rámci oboru na vzestupu.

Jedním z příkladů využití virtuálních fosilií je počítačové modelování funkční morfologie dávných živočichů a rostlin, s jehož pomocí se dozvídáme, jak se vyhynulé organismy pohybovaly, živily nebo jak interagovaly s prostředím. Na velmi výkonných počítačích mohou běžet stovky simulací současně, což dovoluje provádět najednou i několik experimentů. Dalším klíčem k úspěšnému modelování v paleontologii jsou získané kvantitativní výsledky, které umožňují rekonstruovat funkce organismu mnohem přesněji, než bylo možné dříve. Počítačové modelování je tedy v paleontologii využíváno k nejrůznějším studiím, od odhadování váhy dinosaurů, sledování napětí v lebce ryb během kousání po výzkum proudění vody podél těl ostnokožců.

Použití digitálních zobrazovacích metod je v paleontologii stále častější. Pokud se kombinuje s tradičními metodami, přináší možnosti, které si první paleontologové nedokázali ani představit. Se vzrůstající silou výpočetní techniky roste i množství problémů, které můžeme začít řešit, a množství otázek, jež můžeme zodpovědět.

Poděkování: Výzkum I. A. Rahmana podporuje agentura Natural Environment Research Council (č. projektu: NE/H015817/1). Výzkum J. Daškové byl součástí projektu Marie Curie Fellowship (projekt č. 253666 – PEX) a výzkumného záměru Geologického ústavu AV ČR, v. v. i. (AV0Z: 30130516). Autoři děkují Russelu Garwoodovi a Karlu Batesovi za svolení k zveřejnění obrázků č. 5 a 6.