コンピュータ断層撮影(CT)で数百万年前の地球の歴史を振り返る

2023年8月5日 | Gina Naujokat

ホルシュタイン層の堆積岩スラブについて、化石の含有量を調べるためにCT検査を実施しました。最新のCTテクノロジーにより、誰も予想しなかった結果が得られました。

地球科学、特に古生物学は、地球の過去を紐解く洞察や、何百万年にもわたる生息環境の変化に関する興味深い情報をもたらしてくれます。現在とは大きく異なる環境や植生の中で、人類が誕生するはるか昔に生息し、おそらくは遠い昔に絶滅した種が、太古の生命の営みを伝えています。私たちの想像力をかき立てるのは恐竜の化石だけではなく、地球がたどってきた激動の歴史を証明するミクロンサイズの化石こそが重要です。科学者たちがすでに解き明かした知見や、未来に向けた結論には驚かされるばかりです。

ハンブルクにあるライプツィヒ生物多様性変化分析研究所(LIB)の古生物学部長であるウルリッヒ・コトホフ博士(Dr. Ulrich Kotthoff)と、ハンブルク大学微古生物学部門、Foraminifera.eu Lab、LIBの研究者チームが、最新のX線技術が研究にどのように役立つかを確認するため、Comet Yxlonアプリケーションファクトリーを訪れました。主にシュレスヴィヒ=ホルシュタイン州東部で見つかる特定の砂岩であるホルシュタイン産岩石の堆積スラブを対象に、CT(コンピュータ断層撮影)を用いて化石の含有状況を調査することになりました。

これまで、こうした調査は主に岩石を破壊して行われていましたが、それには内部の化石までも損傷させるリスクが常に伴っていました。そのため、装置が要求される分解能を達成できれば、非破壊検査は非常に魅力的な代替手段となります。実際、新しい技術的可能性により、その時点では誰も予想していなかった結果が得られました。大きめの巻貝に加え、ミリメートルサイズの有孔虫の殻の集積までもが可視化されたのです。有孔虫は、海洋や塩性湿地などの水界生息地に生息する単細胞生物です。これまでに発見された最古の有孔虫は約5億4000万年前のものであり、科学者はその殻から環境の微細な変化を読み取ることで、気候や海洋の進化の遠い過去を遡ることができます。

研究者たちが持ち込んだ化石プレートは、高分解能CTシステム「FF35 CT」でスキャンされました。VistaソフトウェアのQuickScanモードにおける従来の円軌道を使用して、プレートの3次元概要が生成されました。生成された3Dデータセットのボクセルサイズは50 µmであり、研究者は使い慣れた分解能でテスト対象の内部に関する最初のインサイトを得ることができました。

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図1:ホルシュタイン産岩石の化石プレート
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図2:ZoomScanによる最小距離での最高分解能
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図3:Vista QuickScanによる化石プレートの3D CTボリュームの断面

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VistaXパッケージのZoomScanを使用することで、ディテール検出能が10倍に向上しました。わずか7 µmという小さなボクセルサイズにより、岩石中の予想外の集積の中に、ミリメートルサイズの有孔虫の殻が検出可能になりました。

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図4〜6:VistaX ZoomScanが「新たな地平を切り拓く」 - 巻貝の隣にあるミリメートルサイズの有孔虫。

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図6:VistaX ZoomScanに基づく有孔虫殻の表面モデル

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しかし、もっと短時間で実行できるのがVistaX Proパッケージに含まれるLayerScanです。これはComet Yxlonのコンピュータ断層ラミノグラフィ技術であり、360°回転を必要とせずにフラットな部品の高分解能な層画像を作成します。LayerScanは5 µmのボクセルサイズを実現しました。

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図7:VistaX Pro LayerScanによる最大限のディテール視認性

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スケールを揃えた直接比較:

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図8:Vista QuickScan対VistaX ZoomScan

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図9:Vista QuickScan対VistaX Pro LayerScan

X線技術の進化の可能性は、科学に胸躍る洞察をもたらすとともに、将来への期待を高めてくれます。ウルリッヒ・コトホフ博士は次のように熱く語っています。

「私と同僚にとって最も驚きだったのは、はるかに大きな巻貝の他に、有孔虫の殻を認識できたことです。岩石を破壊せずにこれらの微化石を研究できる可能性に加え、岩石中におけるそれらの体積比率を算出し得ることも非常にエキサイティングです。さらに高分解能が達成できれば、有孔虫のより正確な特定も実際に可能になるでしょう。将来的には、同じ岩石の他の場所の破片をいくつか調査し、有孔虫や巻貝の密度がすべての場所で同じなのか、それとも地域差があるのかを確認することもできます。うまくいけば、微化石のより正確な同定を通じて、かつての水深を推測することもできるはずです」

研究における疑問は尽きません。私たちは、それに答えるための優れたツールを提供できるよう、開発に継続的に取り組んでいます。

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