Als Kind haben Sie vielleicht gelernt, dass ein Baum jedes Jahr einen neuen Ring um seinen Kern bildet, und Sie können einen Baumstumpf altern lassen, indem Sie die Ringe zählen. Es gibt viel mehr Daten in einem Baumring als das. Die Größe und Eigenschaften dieses Rings können Daten über das Klima in diesem Jahr liefern. Tatsächlich können Bäume Klimaschreiber sein, die ein buchstäbliches Datenprotokoll führen. Eine neue Technik, die auf fortschrittlichem Röntgen-CT-Scannen basiert entwickelt von Professor Jan Van den Bulcke und Kollegen könnte einen besseren Zugang zu diesen Daten als je zuvor bieten.

CT steht in diesem Fall für Computertomographie. Wissenschaftler scannen eine Probe aus verschiedenen Winkeln und setzen die Ergebnisse anschließend zu 3D-Bildern zusammen, die auch als Querschnitte durch die Probe visualisiert werden können. Es ist, als könnte man durch das digitale Volumen „fliegen“. Van den Bulcke und seine Kollegen haben ein verbessertes Bildgebungssystem entwickelt, indem sie ein Scansystem geschaffen haben, das in verschiedenen Maßstäben und mit höherer Auflösung als bisher arbeitet.

Es mag den Anschein haben, dass mehrere Skalen ein eigenartiger Ansatz sind. Warum nicht mit der höchsten Auflösung scannen? Wie Van den Bulcke erklärte, ist dies keine praktische Lösung. „Natürlich möchte jeder alles mit der besten Auflösung scannen. Die Zeit zum Scannen eines gesamten Objekts und das endgültige Datenvolumen skalieren jedoch, wenn Sie die Auflösung erhöhen. Darüber hinaus ist die Auflösung auch durch die Objektgröße begrenzt: Es ist nicht möglich, ein großes Objekt, sagen wir 10 cm im Durchmesser, mit Submikronauflösung zu scannen. Es kann auch ineffizient sein, alles mit der besten Auflösung zu scannen. Es ist vorteilhaft, mit einer geringeren Auflösung zu scannen, beispielsweise für die Jahrringanalyse, und dann basierend auf dieser ersten Analyse auf interessante anatomische Details auf Abschnitten von Bohrkernen zu zoomen, wie z. B. bestimmte Jahre.“

Die Technik wurde an einer Vielzahl von Arten verfeinert. „Wir haben eine Vielzahl von Arten genommen, die üblicherweise in der Paläoklimatologie untersucht werden, wie z. B. Waldkiefer (Pinus sylvestris), mit der Maximum Latewood Density (MXD) als empfindlichstem Proxy für Klimarekonstruktionen“, sagte Van den Bulcke. „Wir haben auch Arten untersucht, bei denen die Anatomie als Proxy für das Klima dienen oder ökologische Informationen über den Baum preisgeben kann, oder Arten, bei denen Baumringe in der Waldbewirtschaftung untersucht werden, wie z. B. Eichenarten (Quercus sp.), Rotbuche (Fagus sylvatica) und Europäische Weißbirke (Betula pendula). Die Hauptidee war, zu zeigen, dass jede Art von Holzarten gehandhabt werden kann, und sich auf bekannte und häufig untersuchte Arten zu beziehen.“

Es ist wichtig, jede Art mit Ringen betrachten zu können, da nicht alle Bäume auf die gleiche Weise Ringe produzieren. Van den Bulckes Team hat schwierige Proben gescannt, um ihr System zu testen. „Ursprünglich haben wir Röntgen-CT an tropischen Angiospermenbäumen aus dem Kongobecken angewendet, die aufgrund geringerer Saisonalität eine herausfordernde Baumringstruktur aufweisen. Von den Tropen bis hin zu Regionen, in denen Bäume oder Sträucher an ihren äußersten Grenzen wachsen, ist jede Probenahme möglich: Rhododendron Proben aus dem tibetischen Plateau könnten beispielsweise ebenfalls gescannt werden. Ob Jahrringgrenzen (dh die Zone im Wald, in der der Jahresring endet und ein neuer Jahresring beginnt) erkennbar sind, hängt natürlich von der Art ab, genauer gesagt von der Art des anatomischen Merkmals das diese Grenze bestimmt und welche Auflösung benötigt wird, um diese Grenze zu visualisieren. Darüber hinaus hängt die tatsächliche Zeitreihe von der Cross-Dating-Qualität ab, und diese hängt von der Region/dem Ort ab, an dem die Proben gescannt wurden.“

Die Bewältigung von Cross-Dating ist ein Problem, an dem das Team bereits gearbeitet hat. Ein Muster einer Reihe von Jahren könnte wie ein Barcode im Baumring sein. Finden Sie eine Übereinstimmung in Barcodes für zwei Proben, und Sie können sie zusammenfügen, um eine längere Klimaaufzeichnung zu erstellen. Breitendaten sind jedoch nur ein Teil des Beispiels. Der Röntgen-CT-Scanning ermöglicht auch Dichtemessungen um sicherere Übereinstimmungen zwischen Proben zu erstellen.

Van den Bulcke freut sich auf die neue Forschung, die Multiskalen-Röntgen-CT-Scans ermöglichen können. „Derzeit sind MXD-Daten ziemlich mühsam zu generieren. Ein großer Teil der aktuellen MXD-basierten Temperaturrekonstruktionen endet etwa in den 1980er und 1990er Jahren und ist noch nicht ausreichend aktualisiert. Es wäre sehr interessant, einige der Bäume, die in dieser Zeit beprobt wurden, noch einmal zu besuchen und sie mit den letzten 20 bis 30 Jahren zu aktualisieren, einer Zeit mit signifikanten Klimaveränderungen. Darüber hinaus gibt es zwar ein dichtes Netz von baumringweiten Chronologien in der Internationale Baumringdatenbank, hat das Anzahl der MXD-Chronologien ist geringer, teilweise aufgrund der begrenzten Anzahl klassischer Densitometrie-Einrichtungen und der Probenvorbereitungsschritte. Insbesondere die südliche Hemisphäre hat bisher nur sehr wenige MXD-Serien. Röntgen-CT ermöglicht es, Baumringgrenzen anzuzeigen und MXD-Serien auf sehr schnelle Weise abzuleiten.“

„Da unser aktuelles Setup anatomische Messungen an Teilabschnitten zulässt, Algorithmen für maschinelles Lernen die auf Sand- oder Mikroschnitten verwendet werden, können dazu beitragen, Gewebefraktionen auf 3D-Bildern halbautomatisch anzuzeigen, wodurch auch die im Labor verbrachte Zeit reduziert und die Probengröße erhöht wird. Dies würde den herkömmlichen Ansatz sehr ergänzen, da Röntgen-CT-Volumen es ermöglichen, die 3D-Natur des virtuellen Volumens auszunutzen, was bisher nicht viel ausgenutzt wurde. Für einen effizienten Arbeitsablauf von der Probe bis zu den Daten bleibt jedoch noch viel zu tun.“

Ein weiterer Vorteil dieser Methode ist, dass die eingehenden Daten davon abhängen, wie die Probe vorbereitet wurde. „Unser ursprüngliches Ziel war es, Schwierigkeiten wie die Vorbereitung von Proben für das Scannen zu vermeiden und die Probengröße zu erhöhen.“ Van den Bulcke sagte. „Traditionell werden Bohrkerne für die Jahrringanalyse auf einem Träger montiert. Kerne mit kleinem Durchmesser sind daher in einem klassischen Densitometrie-Aufbau schwierig zu verwenden, da sie präzise in einen dünnen Schnitt senkrecht zur Faser gesägt werden müssen, was dazu führt, dass die Probe danach etwas zerstört wird.“

Da Sie verhindern können, dass Proben beschädigt werden, können viel mehr Proben untersucht werden, sagte Van den Bulcke. „Im Gegensatz zur herkömmlichen Densitometrie kann ein Röntgen-CT-Scanner montierte Proben aus Sammlungen scannen und wäre daher sehr gut zum Scannen alter Proben geeignet. Natürlich ist es immer noch besser, Proben zu haben, die noch nicht montiert wurden.“

Einer der interessanten Kommentare in dem Papier ist, dass es Vorteile für die Gemeinschaft der Pflanzenwissenschaftler insgesamt gäbe, wenn es eine zentralisierte Scaneinrichtung gäbe. „Mit einem optimierten System könnte jährlich eine große Anzahl von Bohrkernen gescannt werden“, sagte Van den Bulcke. „Obwohl es in Zukunft mehrere Röntgen-CT-Systeme für diesen Zweck geben könnte, können wir uns vorstellen, dass immer noch Gruppen lieber auf eine bestehende Anlage zurückgreifen möchten, als sich selbst ein Röntgen-CT-Gerät anschaffen zu müssen. Es sei darauf hingewiesen, dass, wenn diese Art des Scannens in naher Zukunft zu einem Routinegeschäft werden würde, ein einziges Röntgen-CT-Gerät natürlich nicht alle Anfragen bewältigen könnte.“ Van den Bulcke glaubt auch, dass ein paar Einrichtungen die Reproduzierbarkeit beim Scannen unterstützen würden, da fortlaufende Routinen für Scans vorhanden sind. Es würde auch einen zuverlässigen Zugang zu essentiellem Fachwissen ermöglichen. „Die enge Zusammenarbeit mit einem Team von Röntgenphysikern ermöglicht die ordnungsgemäße Kontrolle aller Schritte der Werkzeugkette“, fügte er hinzu.

Van den Bulcke sieht in aktuellen Studien viele Möglichkeiten für den Einsatz von Röntgen-CT-Scans. „Röntgen-CT-Scans wurden in vielen verschiedenen Forschungsbereichen für die 3D-Analyse verwendet. Auch 4D, das zeitaufgelöste Scannen, steht heutzutage beispielsweise sehr stark im Fokus in der Kavitationsforschung. Grundsätzlich könnte jeder Forscher, der an der hierarchischen 3D-Struktur eines Materials interessiert ist, das für zerstörungsfreie Bildgebung benötigt wird, einige wertvolle Informationen aus dieser Forschung gewinnen, insbesondere wenn es sich um pflanzliche Materialien handelt. In manchen Fällen, zB bei nicht verholzten Pflanzen, wie z Arabidopsis Das zu untersuchende biologische Material sollte ordnungsgemäß vorbehandelt werden.“

Während es viele potenzielle neue Entdeckungen zu machen gibt, gibt es noch viele Daten zu verfeinern, sagte Van den Bulcke. „Unter anderem müssen aktuelle MXD-Chronologien sowohl räumlich als auch zeitlich aktualisiert werden. Dies erfordert neue Feldkampagnen. Aber auch aktuelle Sammlungen auf der ganzen Welt, die Proben enthalten, können auf zerstörungsfreie Weise erneut auf MXD analysiert werden. Darüber hinaus bieten die Möglichkeiten, Röntgen-CT-Bilder auf anatomischer Ebene zu nutzen, neue Perspektiven in der Holzanatomie, für ökologische Studien zu Baummortalität, Kavitation usw.“

„Während die Technik seit mehreren Jahrzehnten existiert, sind Röntgen-CT-Geräte jetzt in der Lage, mit einer Auflösung und Flexibilität, die erst seit etwa dem letzten Jahrzehnt möglich ist, zur Ära großer Datenmengen beizutragen. Dennoch muss an der Optimierung von Toolchains gearbeitet werden, die auf die anatomische Forschung von Baumringen/Holz zugeschnitten sind, und insbesondere eine effiziente Datenverarbeitung ist eine Herausforderung. In Anbetracht von Nicht-Baum-Materialien gibt es auch marine Proxys wie Muscheln das kann ähnlich behandelt werden, wie wir es in diesem Papier präsentieren.“