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Rekonstruktion des terrestrischen Paläoklimas und der Paläoökologie mit fossilen Blättern unter Verwendung der digitalen Blattphysiognomie und der Blattmasse pro Fläche

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DOI:

10.3791/66838

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25. Oktober 2024

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1Department of Biology, University of Washington, 2Department of Paleobiology, National Museum of Natural History, Smithsonian Institution, 3Department of Geology and Geophysics, Program in Ecology, University of Wyoming, 4Department of Ecology and Evolutionary Biology, University of Michigan Herbarium, 5Department of Earth and Environmental Sciences, Wesleyan University, 6Department of Geosciences, Baylor University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Das vorgestellte Protokoll zeigt die digitale Messung und Analyse kontinuierlicher blattphysiognomischer Merkmale auf fossilen Blättern, um das Paläoklima und die Paläoökologie mit Hilfe der digitalen Rekonstruktionsmethoden der Blattphysiognomie und der Blattmasse pro Fläche zu rekonstruieren.

Zusammenfassung

Klima und Umwelt haben einen starken Einfluss auf die Größe, Form und Zahnigkeit (Physiognomie) der Blätter der Pflanzen. Diese Beziehungen, insbesondere bei holzigen, nicht-monokotylen Angiospermen, wurden genutzt, um blattbasierte Proxys für das Paläoklima und die Paläoökologie zu entwickeln, die zur Rekonstruktion alter terrestrischer Ökosysteme für die letzten ~120 Millionen Jahre der Erdgeschichte verwendet wurden. Da diese Zusammenhänge in lebenden Pflanzen dokumentiert wurden, sind sie außerdem wichtig für das Verständnis von Aspekten der Pflanzenevolution und der Reaktion von Pflanzen auf Klima- und Umweltveränderungen. Um diese Art von Analysen an modernen und fossilen Pflanzen durchführen zu können, muss die Blattphysiognomie mit einer reproduzierbaren Methode genau gemessen werden. Dieses Protokoll beschreibt eine computergestützte Methode zur Messung und Analyse einer Vielzahl von blattphysiognomischen Variablen in modernen und fossilen Blättern. Diese Methode ermöglicht die Messung von blattphysiognomischen Merkmalen, insbesondere Variablen in Bezug auf Blattzackungen, Blattfläche, Blattdissektion und Linearität, die im digitalen Blattphysiognomie-Proxy zur Rekonstruktion des Paläoklimas verwendet werden, sowie von Blattstielbreite und Blattfläche, die zur Rekonstruktion der Blattmasse pro Fläche, einem paläoökologischen Proxy, verwendet werden. Da diese digitale Methode zur Messung von Blattmerkmalen auf fossile und lebende Pflanzen angewendet werden kann, ist sie nicht auf Anwendungen im Zusammenhang mit der Rekonstruktion des Paläoklimas und der Paläoökologie beschränkt. Es kann auch verwendet werden, um Blattmerkmale zu erforschen, die für das Verständnis der Funktion der Blattmorphologie, der Blattentwicklung, der phylogenetischen Beziehungen von Blattmerkmalen und der Pflanzenevolution informativ sein können.

Einleitung

Blätter sind grundlegende Produktionseinheiten, die den Austausch von Energie (z. B. Licht, Wärme) und Materie (z. B. Kohlendioxid, Wasserdampf) zwischen der Pflanze und ihrer Umgebung erleichtern 1,2. Um diese Funktionen zu erfüllen, müssen die Blätter ihr eigenes Gewicht mechanisch gegen die Schwerkraft in ruhiger und windiger Luft abstützen 3,4. Aufgrund dieser intrinsischen Verbindungen spiegeln verschiedene Aspekte der Größe, Form und Zähigkeit von Blättern (Physiognomie) die Details ihrer Funktion und Biomechanik wider und geben Einblick in ihre Umgebung und Ökologie. Frühere Arbeiten haben die Beziehungen zwischen Blattphysiognomie, Klima und Ökologie in der modernen Welt quantifiziert, um Proxies zu ermitteln, die auf fossile Blattgemeinschaften angewendet werden können 5,6. Diese Stellvertreter bieten wichtige Möglichkeiten, das Paläoklima und die Paläoökologie zu rekonstruieren und tragen zu einem besseren Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen verschiedenen Systemen des Planeten im Laufe seiner Geschichte bei. Dieser Artikel beschreibt die Methoden, die für die Verwendung von zwei Proxys erforderlich sind: 1) die Methode zur Rekonstruktion der Blattmasse pro Fläche zur Aufklärung der Paläoökologie und 2) die digitale Blattphysiognomie zur Rekonstruktion des Paläoklimas.

Die Trockenmasse der Blätter pro Fläche (MA) ist ein häufig gemessenes Pflanzenmerkmal sowohl in der Neo- als auch in der Paläobotanik. Der primäre Wert von MA, insbesondere für fossile Rekonstruktionen, besteht darin, dass es Teil des Blattökonomie-Spektrums ist, einer koordinierten Achse gut korrelierter Blattmerkmale, die die Photosyntheserate der Blätter, die Langlebigkeit der Blätter und den Nährstoffgehalt der Blätter nach Masseumfasst 7. Die Möglichkeit, MA aus Fossilien zu rekonstruieren, bietet ein Fenster in diese sonst unzugänglichen metabolischen und chemischen Prozesse und kann letztendlich nützliche Informationen über die ökologische Strategie und die Funktion des Ökosystems liefern.

Royer et al.5 entwickelten eine Methode zur Schätzung desM A von holzigen, nicht-monokotylen (Dikotyledonen) Angiospermen-Fossilblättern basierend auf der Fläche der Blattspreite und der Breite des Blattstiels. Theoretisch wirkt der Blattstiel als Ausleger, der das Gewicht des Blattes in der optimalen Positionhält 3,4. Die Querschnittsfläche des Blattstiels, die die wichtigste Komponente der Strahlstärke ausmacht, sollte daher stark mit der Masse des Blattes korrelieren. Durch die Vereinfachung der Form des Blattstiels in eine zylindrische Röhre kann die Querschnittsfläche des Blattstiels mit der Blattstielbreite im Quadrat dargestellt werden, was eine Schätzung der Blattmasse aus einem zweidimensionalen Fossil ermöglicht (für weitere Details siehe Royer et al.5). Die Blattfläche kann direkt gemessen werden. Zusammen ergibt sich die Blattstielbreite zum Quadrat dividiert durch die Blattfläche (d. h. die Blattstielmetrik; Tabelle 1) bietet einen guten Proxy für fossiles MA und ermöglicht Paläobotanikern den Einstieg in die moderne merkmalsbasierte Ökologie. Die Rekonstruktionsmethoden von MA wurden auch auf breitblättrige und gestielte Gymnospermen 5,8, krautige Angiospermen8 und Farne9 ausgeweitet, die Beziehungen ergaben, die sich von den für holzige Dikotyledonen-Angiospermen beobachteten Beziehungen und voneinander unterscheiden. Ein erweiterter Woody-Dicot-Datensatz und neue Regressionsgleichungen zur Rekonstruktion der Varianz und des Mittelwerts von MA auf Standortebene ermöglichen den Rückschluss auf die Vielfalt der Blattökonomie-Strategien und die am weitesten verbreiteten Strategien bei Woody-Dikotyledonen-Angiospermen in fossilen Floren10.

Der Zusammenhang zwischen physiognomischen Blattmerkmalen und ihrem Klima ist seit über einem Jahrhundert bekannt11,12. Insbesondere ist die Physiognomie der holzigen Dikotyledonen-Angiospermenblätter stark mit Temperatur und Feuchtigkeit korreliert13. Diese Beziehung bildete die Grundlage für zahlreiche univariate 14,15,16,17 und multivariate 6,18,19,20,21,22 Blattphysiognomische Proxies für das terrestrische Paläoklima. Sowohl univariate als auch multivariate blattphysiognomische Paläoklimamethoden wurden in den letzten ~120 Millionen Jahren der Erdgeschichte (Kreide bis Neuzeit) in großem Umfang auf angiospermendominierte fossile Floren auf allen Kontinenten angewendet23.

Zwei grundlegende Beobachtungen, die in den blattphysiognomischen Paläoklima-Proxies verwendet werden, sind 1) die Beziehung zwischen Blattgröße und mittlerem Jahresniederschlag (MAP) und 2) die Beziehung zwischen Blattzähnen (d.h. Ausstülpungen des Blattrandes) und der mittleren Jahrestemperatur (MAT). Insbesondere ist die durchschnittliche Blattgröße aller holzigen Dikotyledonen-Angiospermenarten an einer Lokalität positiv mit MAP korreliert, und der Anteil der holzigen Dikotyledonen-Angiospermenarten an einer Lokalität mit gezahnten Blättern korreliert zusätzlich zur Größe und Anzahl der Zähne negativ mit MAT 6,12,13,14,15,16,24.

Ein funktioneller Zusammenhang zwischen diesen Beziehungen zwischen Blattphysiognomie und Klima wird sowohl durch Theorie als auch durch Beobachtungen stark gestützt 1,2,25. Zum Beispiel bieten größere Blätter zwar eine größere photosynthetische Oberfläche, benötigen aber eine größere Unterstützung, verlieren mehr Wasser durch Transpiration und speichern aufgrund einer dickeren Grenzschicht mehr fühlbare Wärme 1,26,27. So sind größere Blätter in feuchteren, heißeren Umgebungen häufiger anzutreffen, da der Wasserverlust durch erhöhte Transpiration die Blätter effektiv kühlt und weniger problematisch ist. Im Gegensatz dazu reduzieren kleinere Blätter in trockeneren, heißen Klimazonen den Wasserverlust und vermeiden stattdessen eine Überhitzung, indem sie den spürbaren Wärmeverlust erhöhen28,29. Details darüber, welche Faktoren oder Kombinationen von Faktoren am stärksten zur Erklärung funktioneller Verknüpfungen beitragen, bleiben für andere Blattmerkmale rätselhaft. Zum Beispiel wurden mehrere Hypothesen vorgeschlagen, um die Beziehung zwischen Blattzähnen und MAT zu erklären, einschließlich Blattkühlung, effizienter Knospenpackung, verbesserter Unterstützung und Versorgung mit dünnen Blättern, Guttation durch Hydathoden und erhöhter Produktivität in der Frühsaison 30,31,32,33.

Die meisten blattphysiognomischen Paläoklima-Proxies beruhen auf einer kategorischen Teilung von Blattmerkmalen und nicht auf quantitativen Messungen kontinuierlicher Variablen, was zu mehreren potenziellen Mängeln führt. Der kategoriale Ansatz schließt die Einbeziehung detaillierterer Informationen aus, die durch kontinuierliche Messungen erfasst wurden und stark mit dem Klima korrelieren (z. B. Anzahl der Zähne, Blattlinearität), was die Genauigkeit der Paläoklimaschätzungen verringern kann 6,20,34. Darüber hinaus können in einigen der Bewertungsmethoden für Blattmerkmale die Merkmale, die kategorisch bewertet werden, mehrdeutig sein, was zu Problemen bei der Reproduzierbarkeit führt, und einige Merkmale haben nur begrenzte empirische Beweise, um ihre funktionelle Verbindung mit dem Klima 6,15,16,35,36 zu unterstützen.

Um diese Mängel zu beheben, schlugen Huff et al.20 vor, kontinuierliche Blattmerkmale in einer Methode zu messen, die als digitale Blattphysiognomie (DiLP) bekannt ist. Ein wesentlicher Vorteil von DiLP gegenüber früheren Methoden besteht darin, dass es sich auf Merkmale stützt, die 1) zuverlässig über alle Benutzer hinweg gemessen werden können, 2) von Natur aus kontinuierlich sind, 3) funktionell mit dem Klima verbunden sind und 4) eine phänotypische Plastizität zwischen den Vegetationsperioden aufweisen 6,37. Dies hat zu genaueren Schätzungen von MAT und MAP geführt als frühere blattphysiognomische Paläoklimamethoden6. Darüber hinaus trägt die Methode der unvollkommenen Natur des Fossilienbestands Rechnung, indem sie Schritte zur Berücksichtigung beschädigter und unvollständiger Blätter bereitstellt. Die DiLP-Methode wurde erfolgreich auf eine Reihe von fossilen Floren aus mehreren Kontinenten angewendet, die sich über einen großen Bereich der geologischen Zeiterstrecken 6,38,39,40,41,42.

Das folgende Protokoll ist eine Erweiterung des in früheren Arbeiten 5,6,20,34 beschriebenen Protokolls. Es werden die Verfahren erläutert, die notwendig sind, um das Paläoklima und die Paläoökologie aus fossilen Blättern von holzigen Dikotyledonen-Angiospermen unter Verwendung der DiLP-und MA-Rekonstruktionsmethoden zu rekonstruieren (siehe Tabelle 1 für eine Erläuterung der Variablen, die mit Hilfe dieses Protokolls gemessen und berechnet wurden). Darüber hinaus bietet dieses Protokoll Schritte zur Erfassung und Berechnung von Blattmerkmalen, die nicht in der DiLP-oder MA-Analyse enthalten sind, aber einfach zu implementieren sind und nützliche Charakterisierungen der Blattphysiognomie liefern (Tabelle 1). Das Protokoll folgt dem folgenden Format: 1) Abbildung fossiler Blätter; 2) digitale Blattvorbereitung, die in fünf mögliche Vorbereitungsszenarien unterteilt ist; 3) digitale Blattmessung, die in dieselben fünf möglichen Präparationsszenarien unterteilt ist; und 4) DiLP- und MA-Analysen unter Verwendung des R-Pakets dilp10.

Das Protokollfür MA-Rekonstruktionen ist in das DiLP-Protokoll eingebettet, da beide bequem nebeneinander vorbereitet und gemessen werden können. Wenn ein Benutzer nur an MA-Analysen interessiert ist, sollte er die in DiLP-Präparationsszenario 2 beschriebenen Präparationsschritte befolgen, unabhängig davon, ob der Blattrand verzahnt ist oder nicht, und die Messschritte, die nur die Messungen der Blattstielbreite, der Blattstielfläche und der Blattfläche beschreiben. Ein Benutzer kann dann die entsprechenden Funktionen im dilp R-Paket ausführen, das die MA-Rekonstruktionen ausführt.

Protokoll

1. Bildgebung fossiler Blätter

  1. Positionieren Sie das Blattfossil unter der Kamera und stellen Sie sicher, dass es so flach wie möglich liegt, indem Sie z. B. einen Sandkasten oder Kitt verwenden, um es unter das Fossil zu klemmen.
    HINWEIS: Wenn Sie mehrere Exemplare auf einem einzigen Block fotografieren, ist es am besten, sie als Nahaufnahmen separat zu fotografieren, um sicherzustellen, dass die Details des Fossils klar und scharf sind. Es ist auch sinnvoll, das Fossil auf einen einfarbigen, dunklen, matten Hintergrund zu legen, z. B. aus schwarzem Filz oder Samt.
  2. Platzieren Sie einen Maßstabsbalken horizontal und in derselben vertikalen Ebene wie das Blatt, platzieren Sie ihn in der Nähe des Fossils, aber nicht in der Nähe des Fossils. Wenn das Fossil nur eine geringe oder gar keine Matrix umgibt, sollte die Skala innerhalb des Fotorahmens platziert und scharf gestellt werden.
  3. Positionieren Sie die Kamera mit einem Kamerastativ oder Kopierständer direkt über dem fossilen Blatt, wobei das Objektiv parallel zur Felsoberfläche verläuft. Um sicherzustellen, dass die Details des Blattes scharf eingefangen werden, positionieren Sie die Kamera so nah wie möglich am Fossil, während Sie innerhalb der Brennweite des Objektivs/der Kamera bleiben und sicherstellen, dass sich das gesamte Fossil innerhalb des Bildrahmens befindet.
    HINWEIS: Wenn möglich, verwenden Sie am besten eine hochauflösende Digitalkamera und ein Makroobjektiv mit manuellem Fokus und ausreichender Schärfentiefe, um das zu bearbeitende Blatt scharf zu fokussieren.
  4. Beleuchten Sie das Fossil mit indirektem Licht nach Bedarf, um den gesamten Umriss des Exemplars deutlich zu sehen. Oft ist es notwendig, die Beleuchtung für jedes Fossil neu einzustellen.
  5. Fotografieren Sie das fossile Blatt und beschriften Sie die Bilddatei entsprechend.

2. Digitale Vorbereitung

HINWEIS: Eine Abbildung der in diesen Protokollen verwendeten Terminologie der Blattarchitektur ist in Abbildung 1 dargestellt. Verwenden Sie den Entscheidungsbaum (Abbildung 2) und die bereitgestellten Beispiele (Abbildung 3), um zu bestimmen, welches Präparationsszenario auf das zu messende fossile Blatt anwendbar ist, und fahren Sie mit dem entsprechenden Abschnitt fort. Weitere Überlegungen in den Vorbereitungsschritten finden Sie in Tabelle 2 . Wenn das Blatt unter Szenario 1 oder 5 fällt, kann das Blatt nicht für quantitative Blattphysiognomiemessungen vorbereitet werden.

  1. Szenario 2: Ganzes umrandetes Blatt, dessen Fläche oder halbe Fläche erhalten geblieben ist oder rekonstruiert werden kann.
    1. Öffnen Sie die Datei in der Bildbearbeitungssoftware (z.B. Adobe Photoshop oder GIMP). Schneiden Sie das Bild bei Bedarf zu, um die endgültige Dateigröße zu reduzieren, aber sicherzustellen, dass die Maßstabsleiste weiterhin enthalten ist.
    2. Verdoppeln Sie die Breite des Arbeitsbereichs, indem Sie auf Bild > Leinwand (Photoshop) klicken. Bild > Leinwandgröße (GIMP). Es wird empfohlen, eine neue Leinwand rechts oder links der aktuellen Leinwand hinzuzufügen.
    3. Wenn der Blattrand etwas rekonstruiert werden muss, entscheiden Sie, ob Blattfläche und -form zuverlässiger von einem halben oder ganzen Blatt aus gemessen werden können (Abbildung 3).
    4. Kopieren Sie das Blatt aus der Gesteinsmatrix. Das ganze oder halbe Blatt, einschließlich des Blattstiels, falls vorhanden, mit einem Lassowerkzeug nachzeichnen (siehe Tabelle 2). Kopieren Sie die Auswahl, fügen Sie sie ein und platzieren Sie sie in einem offenen Bereich der Leinwand. Erwägen Sie, zwei Kopien dieser Auswahl einzufügen, wobei eine unbearbeitete Kopie ist, zu der Sie bei Bedarf zurückkehren können, um den Vorbereitungsprozess neu zu starten.
    5. Reparieren Sie beschädigte Teile des Randes mit einer Linie in geeigneter Farbe (in der Regel schwarz, wenn auf weißem Hintergrund). Zeichnen Sie eine Linie, die den beschädigten Rand überspannt, sodass der Rand zuverlässig rekonstruiert wird, z. B. mit dem Pinsel oder dem Linienwerkzeug. Stellen Sie sicher, dass die Linie dick genug ist, um gesehen zu werden (~1-2 pt Gewicht) und dass sie den Rand über den beschädigten Bereich verbindet.
    6. Entfernen Sie den Blattstiel mit dem Lasso-Werkzeug vom Blatt, falls vorhanden.
      1. Verfolgen Sie visuell den Blattrand entlang der Basis bis zu dem Punkt, an dem er den Blattstiel berührt, der oft dunkler ist und keine ausgeprägten Adern enthält. Platzieren Sie dort eine Lassospitze. Machen Sie dasselbe auf der anderen Hälfte des Blattes und platzieren Sie die zweite Spitze dort.
        HINWEIS: Wenn die Blattbasis symmetrisch ist, ist die Linie ~senkrecht zum Blattstiel; Wenn sie asymmetrisch ist, verläuft die Linie in einem Winkel.
      2. Umkreisen Sie den gesamten Blattstiel, um die Auswahl abzuschließen. Schneiden Sie aus und fügen Sie ihn ein oder verwenden Sie das Verschieben-Werkzeug, um den Blattstiel neben der Blattspreite zu platzieren, sie aber nicht zu berühren.
        HINWEIS: Bei einer herzförmigen oder lappenförmigen Blattbasis, d. h. bei einer herzförmigen oder lappenförmigen Blattbasis, d. h. die Basis erstreckt sich nach unten, wo der Blattstiel an der Blattspreite befestigt ist, kann der Blattstiel auf der Blattbasis unterhalb der Stelle aufliegen, an der der Blattstiel an der Blattspreite befestigt ist. Achten Sie darauf, den Blattstiel an der Stelle, an der er tatsächlich befestigt ist, abzuschneiden, den Blattstielrand genau nachzuzeichnen und den entstandenen beschädigten Rand zu reparieren. Es ist bekannt, dass dies bei den meisten Fossilien schwer zu erkennen ist.
    7. Schneiden Sie bei Bedarf den letzten Bereich des Bildes zu, um die Dateigröße zu reduzieren. In Abbildung 3 finden Sie ein Beispiel dafür, wie das fertig vorbereitete Bild aussehen sollte.
  2. Szenario 3: ein gezähntes Blatt, dessen Fläche oder halbe Fläche nicht rekonstruiert werden kann, aber ≥ zwei aufeinanderfolgende Zähne aufweist und ≥25 % des Blattes erhalten sind
    HINWEIS: Zahnmaße sind die einzigen Merkmale, die an Blättern dieser Kategorie gemessen werden können, daher werden die Blätter nur für diese Messungen vorbereitet.
    1. Öffnen Sie die Datei in einem Bildbearbeitungsprogramm (z. B. Adobe Photoshop oder GIMP). Schneiden Sie das Bild bei Bedarf zu, um die endgültige Dateigröße zu reduzieren, aber sicherzustellen, dass die Maßstabsleiste weiterhin enthalten ist.
    2. Kutteln Sie, um die Breite des Arbeitsbereichs zu vervierfachen, indem Sie auf Bild > Leinwand (Photoshop) klicken. Bild > Leinwandgröße (GIMP). Es wird empfohlen, eine neue Leinwand rechts oder links der aktuellen Leinwand hinzuzufügen.
    3. Kopieren Sie das Blatt aus der Gesteinsmatrix. Zeichnen Sie die Ausdehnung des konservierten Blattes nach, einschließlich des Blattstiels, falls vorhanden, mit einem Lasso-Werkzeug. Machen Sie sich keine Sorgen, beschädigte Teile des Randes genau deshalb nachzuzeichnen, weil sie entfernt werden. Kopieren Sie die Auswahl, fügen Sie sie ein und platzieren Sie sie in einem offenen Bereich der Leinwand. Erwägen Sie, zwei Kopien dieser Auswahl einzufügen, wobei es sich bei einer unbearbeitete Version um eine unbearbeitete Version handelt, zu der Sie bei Bedarf zurückkehren können, um den Vorbereitungsprozess neu zu starten.
    4. Falls vorhanden, entfernen Sie den Blattstiel mit dem Lasso-Werkzeug vom Blatt.
      1. Verfolgen Sie visuell den Blattrand entlang der Basis bis zu dem Punkt, an dem er den Blattstiel berührt, der oft dunkler ist und keine ausgeprägten Adern enthält. Platzieren Sie dort eine Lassospitze. Machen Sie dasselbe auf der anderen Hälfte des Blattes und platzieren Sie die zweite Spitze dort.
        HINWEIS: Wenn die Blattbasis symmetrisch ist, verläuft die Linie ~senkrecht zum Blattstiel, wenn sie asymmetrisch ist, verläuft die Linie in einem Winkel.
      2. Umkreisen Sie den gesamten Blattstiel, um die Auswahl abzuschließen. Schneiden Sie aus und fügen Sie ihn ein oder verwenden Sie das Verschieben-Werkzeug, um den Blattstiel neben der Blattspreite zu platzieren, sie aber nicht zu berühren.
        HINWEIS: Bei einer herzförmigen oder lappenförmigen Blattbasis, d. h. bei einer herzförmigen oder lappenförmigen Blattbasis, d. h. die Basis erstreckt sich nach unten, wo der Blattstiel an der Blattspreite befestigt ist, kann der Blattstiel auf der Blattbasis unterhalb der Stelle aufliegen, an der der Blattstiel an der Blattspreite befestigt ist. Achten Sie darauf, den Blattstiel an der Stelle, an der er tatsächlich befestigt ist, abzuschneiden, den Blattstielrand genau nachzuzeichnen und den entstandenen beschädigten Rand zu reparieren. Dies dürfte bei den meisten Fossilien schwer zu erkennen sein.
    5. Entfernen Sie den Bereich, der an beschädigte Teile des Randes angrenzt, mit einem Lasso-Werkzeug.
      1. Beginnen Sie die Auswahl an einem Punkt entlang des Randes, der den beschädigten Teil begrenzt, und ziehen Sie eine gerade Linie von diesem Punkt zur Haupterzgang, die senkrecht zu dieser Hauptvene verläuft (Abbildung 4). Beginnen Sie die Selektion an der erhaltenen Milchzahnhöhle, die der Schädigung am nächsten liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Flanke eines Zahns nicht als Innenumfang in nachfolgende Messungen einbezogen wird und Nebenzähne nicht wie Milchzähne vermessen werden. Dies ist möglicherweise nicht angemessen, wenn die Zähne weit voneinander entfernt sind, da am Ende zu viel erhaltener Rand entfernt werden kann (Abbildung 4).
      2. Führen Sie die Selektion entlang der Haupterzgang fort, bis sie sich auf Höhe der anderen Grenze des beschädigten Randes befindet, und ziehen Sie eine gerade Linie senkrecht zur Hauptvene zum Rand (Abbildung 4).
        ANMERKUNG: Bei gefiederten Blättern (Abbildung 1A) mit und ohne agrophische Adern (siehe Ellis et al.43) ist die Hauptader die primäre Ader (d. h. die Mittelader). Bei handförmig geäderten Blättern (Abbildung 1B,D) ist die Hauptader die nächstgelegene Hauptader (z. B. Abbildung 4B). Bei gefiederten Blättern (Abbildung 1C) ist die Hauptader, wenn sich der Schaden an einem gefiederten Lappen befindet, die Ader (typischerweise eine sekundäre Ader), die den Lappen speist.
      3. Schließen Sie die Auswahl ab, und löschen Sie diesen Teil des Blatts. Wiederholen Sie den Vorgang für alle beschädigten Teile des Blattes.
    6. Kopieren Sie dieses vorbereitete Blatt, fügen Sie es ein und platzieren Sie es in einem offenen Bereich der Leinwand.
    7. Entfernen Sie die Zähne mit einem Lasso-Werkzeug.
      1. Beginnen Sie an der Blattspitze, einem der Spitzen des Lappens oder dem apikalsten Zahn eines Blattfragments und treffen Sie eine Auswahl an jedem Milchzahnsinus entlang dieses Blattes, Lappens oder Fragments (Abbildung 5; siehe Ergänzende Abbildung 1, Ergänzende Abbildung 2 für Tipps zur Unterscheidung von Milch- und Nebenzähnen und zur Unterscheidung von Zähnen und Lappen). Achten Sie darauf, die entsprechenden Regeln zu befolgen, wenn Sie Zähne schneiden (Tabelle 2; Ergänzende Abbildung 3).
        HINWEIS: Milchzähne werden oft zur Basis und Spitze hin kleiner.
      2. Nach Auswahl des apikalen Sinus des basalsten Zahns wenden Sie die Extensionsregel an (Tabelle 2; Ergänzende Abbildung 4), um den letzten Zahn der Sequenz auszuschneiden.
      3. Entfernen Sie die Zähne, indem Sie die Zähne neben der Blattspreite ausschneiden und einfügen, wobei die Zähne entfernt wurden, ohne sie zu berühren. Wenn das Präparat zusätzliche Blattlappen oder Fragmente enthält, die eine Zahnentfernung erfordern, wiederholen Sie die obigen Schritte, bis alle Zähne entfernt sind.
    8. Wenn eine zusätzliche Version des ursprünglichen Ausschnittblatts erstellt wurde, löschen Sie die zusätzliche Version. Schneiden Sie bei Bedarf den letzten Bereich des Bildes zu, um die Dateigröße zu reduzieren. In Abbildung 3 finden Sie ein Beispiel dafür, wie das fertig vorbereitete Bild aussehen sollte.
  3. Szenario 4: ein gezahntes Blatt, dessen Fläche oder Blattfläche erhalten bleibt oder rekonstruiert werden kann
    1. Öffnen Sie die Datei in der Bildbearbeitungssoftware (z.B. Adobe Photoshop oder GIMP). Schneiden Sie das Bild bei Bedarf zu, um die endgültige Dateigröße zu reduzieren, aber sicherzustellen, dass die Maßstabsleiste weiterhin enthalten ist.
    2. Kutteln Sie, um die Breite des Arbeitsbereichs zu vervierfachen, indem Sie auf Bild > Leinwand (Photoshop) klicken. Bild > Leinwandgröße (GIMP). Es wird empfohlen, eine neue Leinwand rechts oder links der aktuellen Leinwand hinzuzufügen.
    3. Entscheide, wie das Blatt zubereitet wird. Messungen der Blattfläche/-form müssen an einem ganzen Blatt oder einem halben Blatt durchgeführt werden, entscheiden Sie, welche Option zu genaueren Messungen führt. Zahnmessungen sollten entlang aller Abschnitte des erhaltenen Randes durchgeführt werden. In einigen Fällen können die Messungen der Blattfläche/-form an einer anderen Teilmenge des Blattes auftreten als an der Teilmenge, bei der Zahnvariablen gemessen werden.
      HINWEIS: Im bereitgestellten Beispiel (Abbildung 6) wurde entschieden, dass ein halbes Blatt zuverlässiger rekonstruiert werden kann als ein ganzes Blatt. Der erhaltene Rand unten rechts (>1 erhaltener Zahn) wurde für die Zahnmaße einbezogen. Das folgende Protokoll für Szenario 4 folgt in etwa dem bereitgestellten Beispiel (Abbildung 6), aber die Details können in verschiedenen Vorbereitungskontexten leicht variieren.
    4. Kopieren Sie das Blatt aus der Gesteinsmatrix und achten Sie darauf, dass alle erhaltenen Ränder enthalten sind.
      1. Zeichnen Sie den Rand des Blattes, einschließlich des Blattstiels, falls vorhanden, mit einem Lasso-Werkzeug nach. Verfolgen Sie keine beschädigten Teile des Randes, die nicht in die Flächen-/Formmessungen einbezogen werden, gerade weil sie entfernt werden (z. B. die rechte Hälfte des Blattes in Abbildung 6).
      2. Kopieren Sie die Auswahl, fügen Sie sie ein und platzieren Sie sie in einem offenen Bereich der Leinwand. Erwägen Sie, zwei Kopien dieser Auswahl einzufügen, von denen eine unbearbeitete ist, zu der Sie bei Bedarf zurückkehren können, um den Vorbereitungsprozess neu zu starten.
    5. Falls vorhanden, entfernen Sie den Blattstiel mit dem Lasso-Werkzeug vom Blatt.
      1. Verfolgen Sie visuell den Blattrand entlang der Basis bis zu dem Punkt, an dem er den Blattstiel berührt, der oft dunkler ist und keine ausgeprägten Adern enthält. Platzieren Sie dort eine Lassospitze. Machen Sie dasselbe auf der anderen Hälfte des Blattes und platzieren Sie die zweite Spitze dort.
        HINWEIS: Wenn die Blattbasis symmetrisch ist, ist die Linie ~senkrecht zum Blattstiel; Wenn sie asymmetrisch ist, verläuft die Linie in einem Winkel. Umkreisen Sie den gesamten Blattstiel, um die Auswahl abzuschließen.
      2. Schneiden Sie aus und fügen Sie ihn ein oder verwenden Sie das Verschieben-Werkzeug, um den Blattstiel neben dem Blatt zu platzieren, es aber nicht zu berühren.
        HINWEIS: Bei einer herzförmigen oder lappenförmigen Blattbasis, d. h. bei einer herzförmigen oder lappenförmigen Blattbasis, d. h. die Basis erstreckt sich nach unten, wo der Blattstiel an der Blattspreite befestigt ist, kann der Blattstiel auf der Blattbasis unterhalb der Stelle aufliegen, an der der Blattstiel an der Blattspreite befestigt ist. Achten Sie darauf, den Blattstiel an der Stelle, an der er ansetzt, herauszuschneiden, den Blattstielrand genau nachzuzeichnen und den entstandenen beschädigten Rand zu reparieren (Ergänzende Abbildung 5). Dies dürfte bei den meisten Fossilien schwer zu erkennen sein.
    6. Kopieren Sie das isolierte Blatt, ohne den Blattstiel zu entfernen, und fügen Sie es ein, um eine zweite Kopie zur Vorbereitung der Zahnmessungen zu erstellen, und platzieren Sie es in einem offenen Bereich der Leinwand.
    7. Bereiten Sie eine Version des Blattes für die Messung der Blattfläche und -form vor.
      1. Wenn Sie ein halbes Blatt vorbereiten, schneiden Sie überschüssiges Blattmaterial mit dem Lasso-Werkzeug ab, sodass nur ein vollständiges halbes Blatt übrig bleibt. Wenn Sie ein komplettes Blatt vorbereiten, entfernen Sie kein Blattmaterial.
      2. Reparieren Sie bei Bedarf beschädigte Bereiche entlang des Randes mit einer Linie in geeigneter Farbe mit einem Linien- oder Pinselwerkzeug (in der Regel eine schwarze Linie für einen weißen Hintergrund). Stellen Sie sicher, dass die Linie dick genug ist, um gesehen zu werden (~1-2 pt Gewicht) und dass sie den Rand über den beschädigten Bereich verbindet.
    8. Bereiten Sie eine Version des Blattes für die Zahnvermessung vor.
      1. Entfernen Sie den Bereich, der an beschädigte Teile des Randes angrenzt, mit einem Lasso-Werkzeug.
        1. Beginnen Sie die Auswahl an einem Punkt entlang des Randes, der den beschädigten Teil begrenzt, und ziehen Sie eine gerade Linie von diesem Punkt zur Haupterzgang, die senkrecht zu dieser Hauptvene verläuft (Abbildung 4). Beginnen Sie die Selektion an der erhaltenen Milchzahnhöhle, die der Schädigung am nächsten liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Flanke eines Zahns nicht als Innenumfang in nachfolgende Messungen einbezogen wird und Nebenzähne nicht wie Milchzähne vermessen werden. Dies ist möglicherweise nicht angemessen, wenn die Zähne weit voneinander entfernt sind, da am Ende zu viel erhaltener Rand entfernt werden kann (Abbildung 4).
        2. Setzen Sie die Selektion entlang der Hauptvene fort, bis sie sich auf Höhe der anderen Grenze des beschädigten Randes befindet, und ziehen Sie eine gerade Linie senkrecht zur Hauptvene zum Rand (Abbildung 4).
          ANMERKUNG: Bei gefiederten Blättern (Abbildung 1A) mit und ohne agrophische Adern (siehe Ellis et al.43 für Definition und Beispiele) ist die Hauptader die primäre Ader (d. h. die Mittelader). Bei handförmig geäderten Blättern (Abbildung 1B,D) ist die Hauptader die nächstgelegene Hauptader (z. B. Abbildung 4B). Bei gefiederten Blättern (Abbildung 1C) ist die Hauptader, wenn sich der Schaden an einem gefiederten Lappen befindet, die Ader (typischerweise eine sekundäre Ader), die den Lappen speist.
        3. Löschen Sie den beschädigten Teil des Blattes. Machen Sie dasselbe für alle beschädigten Teile des Blattes.
    9. Kopieren Sie die für die Zahnvermessung vorbereitete Version, fügen Sie sie ein, wobei die beschädigten Teile entfernt wurden, und platzieren Sie sie an einem offenen Bereich der Leinwand.
    10. Entfernen Sie die Zähne mit einem Lasso-Werkzeug.
      1. Beginnen Sie an der Blattspitze, einem der Spitzen des Lappens oder dem apikalsten Zahn eines Blattfragments und treffen Sie eine Auswahl an jedem Milchzahnsinus entlang des Blattes, des Lappens oder des Fragments (Abbildung 5; siehe Ergänzende Abbildung 2 für Tipps zur Unterscheidung von Milch- und Nebenzähnen und zur Unterscheidung von Zähnen und Lappen). Achten Sie darauf, die entsprechenden Regeln zu befolgen, wenn Sie Zähne schneiden (Tabelle 2; Ergänzende Abbildung 2).
        HINWEIS: Milchzähne werden oft zur Basis und Spitze hin kleiner.
      2. Nach Auswahl des apikalen Sinus des basalsten Zahns wenden Sie die Extensionsregel an (Tabelle 2; Ergänzende Abbildung 4), um den letzten Zahn der Sequenz auszuschneiden.
      3. Entfernen Sie die Zähne, indem Sie die Zähne neben der Blattspreite ausschneiden und einfügen, wobei die Zähne entfernt wurden, ohne sie zu berühren. Wenn das Präparat zusätzliche Blattlappen oder Fragmente enthält, die eine Zahnentfernung erfordern, wiederholen Sie die obigen Schritte, bis alle Zähne entfernt sind.
    11. Wenn eine zusätzliche Version des ursprünglichen ausgeschnittenen Blattes erstellt wurde, löschen Sie die zusätzliche Version. Schneiden Sie bei Bedarf den letzten Bereich des Bildes zu, um die Dateigröße zu reduzieren. In Abbildung 3 finden Sie ein Beispiel dafür, wie das fertig vorbereitete Bild aussehen sollte.

3. Digitale Messung

HINWEIS: Eine Tabelle mit einer Dateneingabevorlage wird als Zusatzdatei 1 bereitgestellt. Weitere Überlegungen zu den Messschritten finden Sie in Tabelle 3 . In den Szenarien 1 und 5 besteht der einzige erforderliche Schritt darin, den Status des Blattrandes in der Dateneingabetabelle aufzuzeichnen (Schritt 3.5).

  1. Öffnen Sie die ImageJ-Software44. Legen Sie fest, welche Messungen automatisch durchgeführt werden sollen (tun Sie dies einmalig nach der Installation des Programms).
  2. Klicken Sie auf Analysieren > Messungen festlegen, und wählen Sie nur Fläche, Umfang und Feret-Durchmesser aus. Stellen Sie sicher, dass die Dezimalstellen auf 3 festgelegt sind.
  4. Legen Sie den Maßstab für jedes neue Blattbild fest.
    HINWEIS: Dies ist ein kritischer Schritt, der für jedes neue Blattbild durchgeführt werden muss, um genaue Messungen zu gewährleisten.
    1. Klicken Sie auf das Werkzeug Gerade Linie. Vergrößern Sie die Maßstabsleiste, und zeichnen Sie eine möglichst lange gerade Linie über die Maßstabsleiste.
    2. Klicken Sie auf Analysieren > Maßstab festlegen. Geben Sie unter Bekannte Entfernung die gemessene Länge in cm ein (um mit der Einheit konsistent zu sein, die im modernen Kalibrierungsdatensatz verwendet wird). Es ist nicht notwendig, die Längeneinheit zu ändern. Klicken Sie auf OK.
  5. Markieren Sie das Blatt in der Dateneingabetabelle als gezahnt (0) oder ganz.
  6. Messen Sie die Blattstielbreite, wenn der Blattstiel vorhanden ist. Die Messungen sollten an der Originalkopie des Blattes durchgeführt werden, die sich noch in der Gesteinsmatrix befindet, da sie einen viel besseren Kontext bietet.
    HINWEIS: Wenn der Blattstiel nicht vorhanden ist, kann in einigen Fällen die Breite der Mittelvene in ihrer basnahen Position anstelle des Blattstiels gemessen werden. Dies sollte jedoch nur erfolgen, wenn die gesamte Breite der Mittelader erhalten bleibt (d.h. es gibt keine Lamina, die auf die Vene gepresst ist, oder das Fossil die abaxiale Seite des Blattes konserviert) und andere Exemplare derselben Spezies oder desselben Morphotyps zeigen, dass die basale Venenbreite der Blattstielbreite entspricht.
    1. Zeichnen Sie eine gerade Linie senkrecht zum Blattstiel, wo der Blattstiel auf die Blattspreite trifft, oder wenn der Ansatzpunkt asymmetrisch ist, zeichnen Sie eine Linie senkrecht zum Blattstiel am basalsten Punkt des Ansatzes. Es ist wichtig, diese Grenze sorgfältig zu ziehen. Es empfiehlt sich daher, diesen Bereich des Blattes zu vergrößern, um die Linie besser genau zeichnen zu können.
      HINWEIS: Es gibt besondere Umstände, unter denen dieser Schritt geändert werden muss, z. B. wenn an der basalsten Stelle des Einsetzens Schäden, Trichome, Nektarien, Dornen oder andere Merkmale vorhanden sind, die eine genaue Messung der Blattstielbreite verhindern. Messen Sie in diesen Fällen die Blattstielbreite am ersten Punkt unterhalb des Merkmals, an dem die Messung zuverlässig durchgeführt werden kann.
    2. Klicken Sie auf Analysieren > Messen, oder verwenden Sie eine Tastenkombination, um die Länge der gezeichneten Linie zu messen. Zeichnen Sie dieselbe Linie auf dem Bild, um eine Aufzeichnung genau dort zu erstellen, wo die Messung durchgeführt wurde, indem Sie auf Bearbeiten > Zeichnen klicken oder eine Tastenkombination verwenden. Ändern Sie bei Bedarf die Farbe der Linie mit einem Werkzeug in der Hauptsymbolleiste (Farbwähler).
    3. Sobald die Linie gezeichnet ist, speichern Sie das Bild, vorzugsweise unter einem geänderten Dateinamen.
    4. Notieren Sie die Länge dieser Linie unter Blattstielbreite in der Dateneingabetabelle.
  7. Bereiten Sie das Blatt für weitere Messungen vor, indem Sie das Bild schwarz-weiß machen. Klicken Sie dazu auf Image > Type > 8 bit.
  8. Setzen Sie den Schwellenwert für das Bild, indem Sie auf Bild > > Schwellenwert anpassen klicken oder die Tastenkombination verwenden. Ein Feld mit dem Titel Schwellenwert öffnet sich und ändert einen Teil des Bildes in Rot. Wenn das Blatt hell und der Hintergrund dunkel ist, klicken Sie auf Dunkler Hintergrund.
  9. Passen Sie den Schwellenwert mit dem Schieberegler an, bis das Innere des Blatts rot ist und sich vom Hintergrund abhebt. Dies ist ein kritischer Schritt und ein einfacher Ort, um ungenaue Daten zu erzeugen. Stellen Sie sicher, dass der rote Bereich genau dem Blatt entspricht (d. h. der gesamte Umfang des Blattes ist rot und nicht mehr), indem Sie einige Abschnitte des Randes vergrößern. Rote Lücken im Blattinneren sind akzeptabel und beeinflussen die Messungen nicht.
    HINWEIS: Wenn der Umriss des Blattes nicht gut definiert ist, versuchen Sie zunächst, den Schwellenwert beim Vergrößern anzupassen, um zu bestätigen, dass der Umriss des Blattes rot ist. Wenn ein schlechter Kontrast zwischen dem Fossil und dem Hintergrund verhindert, dass ein zuverlässiger Schwellenwert angewendet wird, verwenden Sie das Pinselwerkzeug, um dem Blattumfang in Bereichen mit zu geringem Kontrast einen festen Umriss hinzuzufügen. Alternativ können Sie das Blatt an die Bildbearbeitungssoftware (z. B. Adobe Photoshop oder GIMP) zurückgeben und den Kontrast der isolierten Blattebenen oder die Farbe des Hintergrunds anpassen, um sie besser unterscheiden zu können.
  10. Messen Sie die Blattfläche und -form für Blätter, die in den Szenarien 2 (Schritt 2.1) und 4 (Schritt 2.4) vorbereitet wurden.
    HINWEIS: Verwenden Sie Abbildung 2 und Abbildung 6B als Anhaltspunkt dafür, welche Variablen an welchen Komponenten des vorbereiteten Bildes gemessen werden. Wenn in Szenario 3 (Schritt 2.2) Blätter vorbereitet wurden, überspringen Sie diesen Schritt und fahren Sie mit Schritt 3.11 fort.
    1. Messen Sie das Blatt, das für die Messung der Blattfläche und -form vorbereitet wurde, wobei nur der Blattstiel entfernt werden sollte (falls ein Blattstiel vorhanden war). Wählen Sie das Zauberstab-Werkzeug aus. Klicken Sie auf das Innere des Blattes. Das gesamte Blatt sollte gelb umrandet sein – vergewissern Sie sich, dass der Umriss korrekt ist.
    2. Führen Sie Messungen durch, indem Sie auf Analysieren > Messen klicken oder die Tastenkombination verwenden.
    3. Wenn die gemessene Fläche als ganzes Blatt vorbereitet wird, notieren Sie Fläche, Umfang, Feret und minimales Feret in der Dateneingabetabelle. Wenn die gemessene Fläche als halbes Blatt vorbereitet ist, nur Feret aufzeichnen und mit dem nächsten Schritt fortfahren.
    4. Wenn es sich bei der gemessenen Fläche um ein halbes Blatt handelt, messen Sie den künstlichen Mittelumfang des Blattes, d. h. die Länge des künstlichen Umfangs, der sich aus dem Halbieren des Blattes ergibt (Abbildung 6B). Wenn die gemessene Fläche das gesamte Blatt ist, überspringen Sie diesen Schritt und Schritt 3.10.5.
      HINWEIS: Durch Messen des künstlichen Mittelumfangs kann der Klingenumfang aus halben Flügeln berechnet werden (siehe Schritt 3.10.5 unten). Der Klingenumfang wird nicht in Variablen verwendet, diein DiLP - und MA-Analysen enthalten sind, sondern für andere Variablen, die für die Charakterisierung der Physiognomie nützlich sind (z. B. Formfaktor, Kompaktheit; Tabelle 1).
      1. Wählen Sie das Werkzeug für segmentierte Linien aus, indem Sie mit der rechten Maustaste auf das Linienwerkzeug klicken. Zeichnen Sie die gesamte Länge des künstlichen Mittelumfangs nach.
      2. Klicken Sie auf Analysieren > Messen, oder verwenden Sie die Tastenkombination, um die Länge zu messen. Dieses Maß wird in der Formel zur Berechnung des Klingenumfangs unten verwendet (Schritt 3.10.5).
    5. Wenn es sich bei der gemessenen Fläche um ein halbes Blatt handelt, ändern Sie die Messungen, während Sie sie in die Dateneingabetabelle eingeben, indem Sie die Fläche mit 2 multiplizieren, den minimalen Feret mit 2 multiplizieren und den Klingenumfang berechnen, indem Sie zuerst den künstlichen mittleren Umfang vom halben Flügelumfang subtrahieren und dann mit der folgenden Formel mit 2 multiplizieren:
      Klingenumfang = (Umfang - künstlicher Mittelumfang) x 2
    6. Wenn ein ausgeschnittener Blattstiel vorhanden ist, messen Sie dessen Fläche. Falls nicht vorhanden, ist die Messung für Szenario 2 abgeschlossen, fahren Sie jedoch mit Schritt 3.11 für Szenario 4 fort.
      1. Klicken Sie mit dem Zauberstab auf den ausgeschnittenen Blattstiel. Der Blattstiel sollte gelb umrandet sein. Nehmen Sie Messungen vor, indem Sie auf Analysieren > Messen klicken oder die Tastenkombination verwenden. Datensatzbereich unter Blattstielbereich in der Dateneingabetabelle.
    7. Für Szenario 2 (Schritt 2.1) ist die Messung nun abgeschlossen; Für Szenario 4 (Schritt 2.3) fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort.
  11. Messen Sie Zahnvariablen für Blätter, die in den Szenarien 3 (Schritt 2.2) und 4 (Schritt 2.3) vorbereitet wurden.
    1. Messen Sie die rohe Klinge. Wählen Sie mit dem Zauberstab das Innere der rohen Klinge aus (d. h. das für die Zahnmessungen vorbereitete Blatt, das noch seine Zähne hat; Abbildung 6B). Er sollte gelb umrandet sein. Nehmen Sie Messungen vor, indem Sie auf Analysieren > Messen klicken oder die Tastenkombination verwenden.
      HINWEIS: Je nachdem, wie das Blatt vorbereitet wurde, kann es erforderlich sein, mehrere getrennte Abschnitte zu messen und ihre Flächen zusammenzufügen (z. B. Abbildung 6B). Alternativ können Sie mehrere Abschnitte gleichzeitig auswählen, indem Sie mit dem Zauberstab einen zweiten Abschnitt auswählen, während Sie die Umschalttaste gedrückt halten.
    2. Notieren Sie die Fläche und den Umfang unter der Rohklingenfläche und dem Rohklingenumfang in der Dateneingabetabelle.
    3. Messen Sie die innere rohe Klinge. Wählen Sie das Innere der inneren rohen Klinge (d. h. das für die Zahnmessungen vorbereitete Blatt, bei dem die Zähne entfernt wurden; Abbildung 6B). Er sollte gelb umrandet sein. Nehmen Sie Messungen vor, indem Sie auf Analysieren > Messen klicken oder die Tastenkombination verwenden.
      HINWEIS: Je nachdem, wie das Blatt vorbereitet wurde, kann es erforderlich sein, mehrere getrennte Abschnitte zu messen und ihre Flächen zusammenzufügen (z. B. Abbildung 6B). Alternativ können Sie mehrere Abschnitte gleichzeitig auswählen, indem Sie mit dem Zauberstab einen zweiten Abschnitt auswählen, während Sie die Umschalttaste gedrückt halten.
    4. Notieren Sie den Bereich und den Umfang unter dem internen Rohklingenbereich und dem internen Rohklingenumfang in der Dateneingabetabelle.
    5. Messen Sie die Länge des Schnittumfangs. Entfernen Sie den Schwellenwert, um das Blatt deutlich zu sehen, klicken Sie im Schwellenwertfeld auf Zurücksetzen oder klicken Sie auf Bearbeiten > Rückgängig – letzteres entfernt in der Regel auch die 8-Bit-Schwarzweißkonvertierung. Wählen Sie das Werkzeug für segmentierte Linien aus und zeichnen Sie die gesamte Länge des Schnittumfangs auf der Rohklinge nach.
    6. Messen Sie, indem Sie auf Analysieren > Messen klicken oder die Tastenkombination verwenden. Wenn mehrere Abschnitte vorhanden sind, wiederholen Sie die vorherigen Schritte, um die Länge des Schnittumfangs jedes Abschnitts zu messen. Notieren Sie die Länge oder die Summe der Längen unter Länge des Schnittumfangs in der Dateneingabetabelle.
      HINWEIS: Der Schnittumfang wird durch die Vorbereitung des Blattes durch Entfernen von Beschädigungen eingeführt. In den meisten Fällen unterscheidet sich dieser vom künstlichen Mittelperimeter (Abbildung 6B).
    7. Zählen Sie Milch- und Nebenzähne, falls vorhanden.
      HINWEIS: In der ergänzenden Abbildung 2 finden Sie Tipps zur Unterscheidung zwischen Milch- und Doppelzähnen.
      1. Wenn der Schwellenwert noch nicht entfernt wurde, entfernen Sie ihn jetzt. Um den Schwellenwert zu entfernen, klicken Sie im Schwellenwertfeld auf Zurücksetzen oder klicken Sie auf Bearbeiten > Rückgängig – letzteres entfernt in der Regel auch die 8-Bit-Schwarzweißkonvertierung.
      2. Zählen Sie die Anzahl der Milchzähne (siehe Ergänzende Abbildung 2 für Tipps zur Unterscheidung von Milch- und Nebenzähnen). Wählen Sie das Multipunkt-Werkzeug aus. Möglicherweise ist es erforderlich, zuerst mit der rechten Maustaste auf das Punktwerkzeug zu klicken, um das Mehrpunktwerkzeug auszuwählen. Klicken Sie auf jeden Milchzahn, um ihn zu nummerieren.
      3. Um einen versehentlich ausgewählten Punkt zu entfernen, drücken Sie die Alt-Taste (Windows) bzw. Befehl/Befehlstaste oder Wahltaste (Mac OS), während Sie gleichzeitig auf den Punkt klicken. Notieren Sie die endgültige Anzahl der Milchzähne unter # in der Dateneingabetabelle.
      4. Löschen Sie die Anzahl und Anmerkungen des Mehrpunktwerkzeugs, indem Sie auf > Auswahl bearbeiten > auf Keine auswählen klicken oder die Tastenkombination verwenden.
      5. Zählen Sie die Gesamtzahl der Zähne (d. h. alle Milch- und Nebenzähne auf dem Blatt). Wählen Sie das Multipunkt-Werkzeug aus. Möglicherweise ist es erforderlich, zuerst mit der rechten Maustaste auf das Punktwerkzeug zu klicken, um das Multipunkt-Werkzeug auszuwählen. Klicken Sie auf jeden Zahn, einschließlich Milch- und Nebenzahn, um ihn zu nummerieren.
        HINWEIS: Durch das Zählen der Gesamtzahl der Zähne und nicht der Anzahl der Nebenzähne wird sichergestellt, dass keine Zähne doppelt gezählt werden. Die Gesamtzahl der Zähne wird von der Anzahl der Milchzähne abgezogen, um die Anzahl der Nebenzähne zu ermitteln (siehe Schritt 3.11.7.6).
      6. Um einen versehentlich ausgewählten Punkt zu entfernen, drücken Sie die Alt-Taste (Windows) bzw. Befehl/Befehlstaste oder Wahltaste (Mac OS), während Sie gleichzeitig auf den Punkt klicken. Subtrahieren Sie die Anzahl der Milchzähne von der Gesamtzahl der Zähne, um die Anzahl der Nebenzähne zu bestimmen. Notieren Sie dies unter # der Nebenzähne in der Dateneingabetabelle.
        HINWEIS: Einige Benutzer ziehen es vor, die Zahnzahl bei der Erstellung von Blattbildern vorzunehmen, anstatt beim Messen.

4. Ausführen von Analysen in der R-Software

HINWEIS: Für die folgenden Schritte ist das R-Paket dilp11 erforderlich. Die Dateneingabetabelle wird in R eingelesen und vom Paket verwendet. Weitere Informationen finden Sie auf der Registerkarte Zusätzliche Anweisungen in der Dateneingabetabelle (Zusatzdatei 2). Das R-Skript kann die Analyse mehrerer Standorte gleichzeitig oder einer einzelnen Website unterstützen.

  1. Öffnen Sie R in Ihrer bevorzugten Umgebung (R Studio wird empfohlen). Eine Einführung in R finden Sie z. B. unter https://cran.r-project.org/doc/manuals/r-release/R-intro.pdf.
  2. Installieren Sie das dilp-Paket in Ihrer R-Sitzung. Auf der folgenden Website finden Sie weitere Informationen zur Installation des Pakets und zum Ausführen der zugehörigen Funktionen: https://cran.r-project.org/package=dilp
  3. Lesen Sie in der .csv Datei ein, die die Daten zu den Blattmerkmalen des fossilen holzigen Dikotyledonen-Angiospermen enthält (d. h. Daten, die in der Dateneingabetabelle aufgezeichnet sind).
  4. Führen Sie die Funktion dilp() für Rekonstruktionen der mittleren Jahrestemperatur (MAT) und des mittleren Jahresniederschlags (MAP) mit zugehörigem Fehler aus. Die Ergebnisse für MAT und MAP stammen aus einem multiplen linearen Regressionsmodell (MLR, d. h. DiLP) und zwei einfachen linearen Regressionsmodellen (SLR, d. h. Blattflächen- und Randanalysen). Führen Sie die Funktion lma() für Rekonstruktionen der Blattmasse pro Fläche (MA) auf Morphotyp- und Standortebene aus.
  5. Nach dem Ausführen von dilp() wird empfohlen, nach potenziellen Problemen bei der Datenerfassung zu suchen und die Datenqualität zu bestätigen, indem Sie sich die Ausreißer und Fehlerobjekte in den zurückgegebenen dilp()- Ergebnissen ansehen. Alternativ können Sie die Funktion dilp_processing() gefolgt von dilp_outliers() und dilp_errors() verwenden. Beheben Sie alle gemeldeten Probleme, indem Sie sich auf die vorbereitete Probe beziehen und sie möglicherweise erneut messen. Es wird empfohlen, die ursprüngliche Datendatei zu bearbeiten und dann wieder in R einzulesen.
  6. Bestimmen Sie, ob die Fossilfundstelle mit der Funktion dilp_cca() in den physiognomischen multivariaten Raum des Blattdatensatzes fällt.

Ergebnisse

Ein zuvor veröffentlichter Datensatz von Messungen der Blattphysiognomie aus der frühen Eozän-Fossilienstätte McAbee im südlichen Zentrum von British Columbia wurde verwendet, um ein Beispiel für repräsentative Ergebnisse zu liefern, bei denen sowohl die Rekonstruktionsmethoden der digitalen Blattphysiognomie (DiLP) als auch der Blattmasse pro Fläche (MA) verwendet wurden (Lowe et al.38; Daten in Ergänzungsdatei 2). Die Stätte bietet die Möglichkeit, das Paläoklima und die Paläoökologie während des wärmsten Intervalls des Känozoikums (dem früheozänen Klimaoptimum) in einer Hochland- und Vulkanlandschaft zu rekonstruieren 38,45,46,47. Fossilienansammlungen wurden aus zwei getrennten Horizonten in einer Seesequenz namens H1 (28 cm dick) und H2 (27 cm dick) entnommen, die über einen engen Bereich der Stratigraphie mit Hilfe einer Volkszählungstechnik gepoolt wurde, wobei alle Exemplare, die einem Morphotyp zugeordnet werden konnten, gesammelt oder gezählt wurden38,48.

Die physiognomischen Daten der McAbee-Blätter bestanden die mit dilp_errors() gekennzeichneten Fehlerprüfungen, und sieben Ausreißer, die mit dilp_outliers() gekennzeichnet wurden, wurden doppelt überprüft, um sicherzustellen, dass die Werte eine echte Variation in den Daten darstellen und keinen methodischen Fehler darstellen. Die Daten wurden anschließend durch die Funktion dilp() laufen lassen, um das Paläoklima zu erzeugen, und die Funktion lma() für Rekonstruktionen der Blattmasse pro Fläche.

MA-Rekonstruktionen und die untere und obere Grenze ihrer 95%-Vorhersageintervalle sind in Tabelle 4 sowohl auf Art- als auch auf Standortebene unter Verwendung von Gleichungen von Royer et al.5 und Butrim et al.10 dargestellt. Die rekonstruierten Werte liegen im für moderne Landarten typischen Bereich von MA (30-330 g/m2)49. Unter Verwendung der in Royer et al.5 diskutierten Schwellenwerte haben die meisten Arten einen rekonstruiertenM A, der mit einer Blattlebensdauer von <1 Jahr (≤87 g/m2), einigen ~1 Jahr (88-128 g/m2) übereinstimmt, während keine typisch für >1 Jahr (≥129 g/m2) ist. Rekonstruktionen von Standort MEin Mittelwert und eine Varianz bei McAbee spiegeln die Prävalenz und Vielfalt der Blattwirtschaftsstrategien an einem Standortwider 10,50. Es gibt keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Mittelwert und der Varianz zwischen H1 und H2, und daher gibt es keine Hinweise darauf, dass die Zusammensetzung und Vielfalt der Blattwirtschaftsstrategien zwischen den beiden Zeitpunkten variierte. Darüber hinaus waren die Site-Mean-Rekonstruktionen, die unter Verwendung der Gleichungen von Royer et al.5 und Butrim et al.10 vorgenommen wurden, sehr ähnlich.

Rekonstruktionen der mittleren Jahrestemperatur (MAT) und des mittleren Jahresniederschlags (MAP) unter Verwendung der Gleichungen der multiplen linearen Regression (DiLP) und der einfachen linearen Regression (Blattrand- und Blattflächenanalysen), die in Peppe et al.6 vorgestellt wurden, sind in Tabelle 5 dargestellt. Paläoklima-Schätzungen lassen sich am zuverlässigsten ableiten, wenn die Blattphysiognomie der fossilen Blattgemeinschaften innerhalb des physiognomischen Raums des Kalibrierungsdatensatzes stattfindet. Dies wird durch den Analyseschritt der kanonischen Korrespondenzanalyse (CCA) bewertet, der von der Funktion dilp_cca() durchgeführt wird. Sowohl McAbee H1 als auch H2 liegen innerhalb des Bereichs der Blattphysiognomie, der im Kalibrierungsdatensatz beobachtet wurde (Abbildung 7A). Wenn Fundstellen rekonstruierte Werte hatten, die außerhalb des Kalibrierraums lagen, sollten Paläoklima-Rekonstruktionen mit Vorsicht interpretiert werden (z.B. durch Vergleich mit unabhängigen Beweislinien; siehe Peppe et al.6 für weitere Diskussionen). Rekonstruierte MAT und MAP sowohl für H1 als auch für H2 stimmen mit einem gemäßigten saisonalen Biom überein (Abbildung 7B,C), was gut mit unabhängigen Beweislinien übereinstimmt, einschließlich der auf den nächsten lebenden Verwandten basierenden Schlussfolgerungen sowohl der fossilen Blüten- als auch der Insektengemeinschaften bei McAbee45.

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Abbildung 1: Blattphysiognomie und architektonische Terminologie in diesem Artikel. (A) Ein gefiedertes, ungepädertes und ganzrandiges Blatt, (B) ein handförmig geädertes, ungepipfiges und gezähntes Blatt, (C) ein gefiedertes, gelapptes und ganzrandiges Blatt, (D) ein handförmig geädertes, gelapptes und gezähntes Blatt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 2: Flussdiagramm der Methode. Ein Flussdiagramm, das zeigt, wie verschiedene Blattkonservierungsbedingungen und Blatttypen bestimmen, welche allgemeinen Arten von Blattmerkmalen zuverlässig gemessen werden können (gelber Kasten). Diese legt fest, welches Vorbereitungsszenario im Protokoll verfolgt wird und in welchen Spalten Daten in die Datenerfassungstabelle eingetragen werden (Aufzählungspunkte). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 3: Unterschiedliche Vorbereitungsszenarien. Verschiedene Vorbereitungsszenarien zeigen Beispiele für fertige, digital aufbereitete Bilder, die für die Messphase bereit sind. (A) Szenario 1, ganzes Randblatt, dessen Fläche oder halbe Fläche nicht rekonstruiert werden kann, (B) Szenario 5, gezahntes Blatt, dessen Fläche oder halbe Fläche nicht rekonstruiert werden kann und das nicht ≥2 aufeinanderfolgende Zähne und/oder ≥25 % des Blattes aufweist, (C) Szenario 2, ganzes Randblatt, dessen Fläche oder halbe Fläche erhalten ist oder rekonstruiert werden kann, (D) Szenario 3: ein gezähntes Blatt, dessen Fläche oder halbe Fläche nicht rekonstruiert werden kann, aber ≥2 aufeinanderfolgende Zähne aufweist und ≥25 % des Blattes erhalten sind, (E) Szenario 4: ein gezahntes Blatt, dessen Fläche oder halbe Fläche erhalten bleibt oder rekonstruiert werden kann. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 4: Illustration der Schadensbeseitigung. Veranschaulichung, wie man den beschädigten Rand und den an diesen beschädigten Rand angrenzenden Blattbereich ausschneidet. Gestrichelte rote Linien zeigen, wie eine Auswahl mit dem Lasso-Werkzeug getroffen wird. Es ist zu beachten, dass die Schädigungsgrenzen absichtlich an den Nebenhöhlen der Milchzähne begonnen wurden (siehe Ergänzende Abbildung 2 für eine Hilfe zur Unterscheidung zwischen Milch- und Nebenzähnen). (A) Ein gefiedertes Blatt, bei dem die Selektion bis zur mittleren Ader verlängert wird. (B) Ein handförmig geädertes Blatt, bei dem die Selektion bis zur nächsten Primärader verlängert wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 5: Illustration eines Beispiels für das Ausschneiden von Zähnen. (A) Gestrichelte rote Linien zeigen, wie mit dem Lasso-Werkzeug eine Auswahl getroffen wird. Beachten Sie, dass in diesem Fall die Zähne zusammengesetzt sind, so dass die Auswahl nur zwischen den primären Nebenhöhlen getroffen wurde (siehe Ergänzende Abbildung 2 für Hilfe zur Unterscheidung von Primär- und Nebenzähnen), (B) eine vergrößerte Perspektive, wie die Zahnauswahl getroffen wurde, mit roten Punkten, die darstellen, wo die Maus während der Auswahl angeklickt wurde, (C) die Kopie des Blattes, wenn die Zähne entfernt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 6: Illustration des Vorbereitungsszenarios 4. Veranschaulichung von Vorbereitungsentscheidungen und Messschritten für ein in Szenario 4 präpariertes Beispielblatt. (A) Ein Präparationsszenario, bei dem entschieden wurde, dass ein halbes Blatt die zuverlässigsten Messungen der Blattform und -fläche lieferte, und bei dem erhaltene Ränder auf beiden medialen Hälften für die Zahnmessungen einbezogen wurden. (B) Ein Beispiel, das zeigt, welche Variablen an verschiedenen Komponenten des vorbereiteten Blattes gemessen werden. Fettgedruckter Text hebt Messungen hervor, diefür DiLP - und MA-Analysen erforderlich sind, während nicht fettgedruckter Text (Klingenumfang, minimaler Feret und künstlicher mittlerer Umfang) Messungen hervorhebt, die nicht erforderlich, aber für zusätzliche physiognomische Charakterisierungen nützlich sind (z. B. Formfaktor und Kompaktheit; Tabelle 1). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 7: Repräsentative Ergebnisse. Ergebnisse aus zwei Fossilienhorizonten (H1 und H2), die in den McAbee-Fossilienbetten aus dem frühen Eozän von Lowe et al.38 entnommen wurden. (A) Kanonische Korrespondenzanalyse, die die Darstellung der multivariaten Blattphysiognomie im Kalibrierungsdatensatz zeigt. Die Kalibrierungsdaten stammen von Peppe et al.6. Die Blattphysiognomie der beiden McAbee-Horizonte ist überlagert und findet innerhalb des Kalibrierungsraums statt. (B und C) Temperatur- und Niederschlagsschätzungen und die damit verbundene Unsicherheit (Standardfehler der Modelle) unter Verwendung von Gleichungen, die in Peppe et al.6 der beiden McAbee-Horizonte dargestellt sind, die in einem Whittaker-Biom-Diagramm überlagert sind. (B) Schätzungen, die unter Verwendung der multiplen linearen Regressionsmodelle (MLR) der Digital Leaf Physiognomy (DiLP) rekonstruiert wurden, (C) Schätzungen, die unter Verwendung der Gleichungen der Blattflächenanalyse (LAA) und der Blattrandanalyse (LMA) der einzelnen linearen Regressionen (SLR) der beiden McAbee-Horizonte rekonstruiert wurden, die auf einem Whittaker-Biom-Diagramm überlagert sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Tabelle 1: Blattphysiognomische Variablen. Variablen, die gemessen und/oder berechnet und in Vorhersagemodellen angewendet werden, die dieses Protokoll verwenden, um die Trockenmasse der Blätter pro Fläche (MA), die mittlere Jahrestemperatur (MAT) und den mittleren Jahresniederschlag (MAP) zu rekonstruieren. MAT und MAP werden mit Gleichungen rekonstruiert, die in Peppe et al.6 unter Verwendung eines multivariaten Ansatzes für die digitale Blattphysiognomie (DiLP) und univariater Ansätze für die Blattrandanalyse (LMA) und der Blattflächenanalyse (LAA) vorgestellt wurden. Variablen, die als "Sonstige" aufgeführt sind, werden nicht inMA-, DiLP-, LMA- und LAA-Analysen verwendet, werden aber dennoch mit diesem Protokoll gemessen und berechnet, da sie einfach zu implementieren sind und nützliche Charakterisierungen der Blattphysiognomie liefern. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 2: Zusätzliche Überlegungen und Erläuterungen zu den Vorbereitungsschritten. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 3: Zusätzliche Überlegungen und Erläuterungen zum Messen von Schritten. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 4: Rekonstruktionen der Blatttrockenmasse pro Fläche (MA) und der damit verbundenen oberen und unteren Grenzen der 95%-Vorhersageintervalle für McAbee Fossil Beds von Lowe et al.38. Rekonstruktionen werden für den Morphotyp-Mittelwert5, den Stellenmittelwert 5,10 und die Stellenvarianz10 durchgeführt. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 5: Rekonstruktionen des mittleren Jahresniederschlags (MAT) und des mittleren Jahresniederschlags (MAP) für Horizon 1 (H1) und 2 (H2) in den früheozänen McAbee-Fossilschichten unter Verwendung der multiplen linearen Regressionen (MLR) der digitalen Blattphysiognomie (DiLP) und der einfachen linearen Regressionen (SLR) der Blattrandanalyse (LMA) und der Blattflächenanalyse (LAA), die in Peppe et al.6 vorgestellt wurden. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 1: Quercus rubra Blatt aus dem Harvard Forest zur Veranschaulichung der Lobe-vs-Zahn-Regel. Die Liniensegmente p und d werden im Text definiert. Maßstabsstäbe = 1 cm. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 2: Betula lutea-Blatt aus dem Harvard Forest, das die Regeln für die Unterscheidung von Nebenzähnen und Milchzähnen veranschaulicht. Das isolierte Blattsegment wurde um das 2-fache vergrößert. Die blaue Linie verbindet die Nebenhöhlen mit dem größten Grad an Inzision (d. h. die primären Nasennebenhöhlen), und Zähne, die mit diesen Nebenhöhlen verbunden sind, gelten als primär (blaue Pfeile). Rote Punkte markieren Zähne, die als subsidiär unterschieden werden können, da ihre apikalen Nebenhöhlen in geringerem Maße eingeschnitten sind. Die Zähne, die durch die roten Pfeile gekennzeichnet sind, haben einen ähnlichen Schnittgrad wie die Milchzähne, können aber durch eine relativ dünnere Hauptvene im Vergleich zu den Milchzähnen als subsidiär identifiziert werden. Maßstabsstäbe = 1 cm. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 3: Illustration der Zahnauswahl, der Federlappenregel und der Flügelprioritätsregel. (A) Zahnauswahl für ein Hamamelis virginiana-Blatt aus der Huyck-Konserve. Die abgedunkelten Bereiche entsprechen dem Blattgewebe, das in die Gesamtzahnauswahl einbezogen wird, da die Nebenzähne von den Milchzähnen unterschieden werden. (B) Quercus alba leaf aus IES veranschaulicht die Lappenprioritätsregel. Die abgedunkelten Bereiche werden als Lappen und die nicht abgedunkelten als Zähne gemessen, aber alle Projektionen werden über die Lobe-Prioritätsregel als Lappen betrachtet. Maßstabsstäbe = 1 cm. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 4: Acer saccharum-Blatt aus dem Allegheny National Forest, das die Regeln für die Fortpflanzung und den Solitärzahn veranschaulicht. Gestrichelte Linien stellen die Zahnauswahl dar. Die durchgezogene Linie stellt die Symmetrieachse für den zugehörigen Zahn dar. Die schwarze Fläche ist ein Gewicht, mit dem die Blätter für die Fotografie abgeflacht werden. Maßstabsstäbe = 1 cm. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 5: Veranschaulichung der idealen Art und Weise, einen Blattstiel auszuschneiden, der auf einer herzförmigen Basis positioniert ist. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Datei 1: Dateneingabevorlage für alle gemessenen digitalen Variablen der Blattphysiognomie. Diese Datei sollte nicht geändert werden, da sie als Eingabedatei für das R-Paket verwendet wird. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Datei 2: Beispieldaten aus McAbee-Fossilienbetten von Lowe et al.38. Diese Daten wurden für die Erstellung von Abbildung 7 und für die Diskussion repräsentativer Ergebnisse verwendet. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzungsdatei 3: Regelwerk für die fossile digitale Blattphysiognomie. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Diskussion

In diesem Artikel wird vorgestellt, wie kontinuierliche Merkmale der Blattphysiognomie an fossilen Blättern von holzigen Dikotyledonen-Angiospermen gemessen und anschließend auf Proxys angewendet werden können, die aus modernen Kalibrierungsdaten entwickelt wurden, um das Paläoklima und die Paläoökologie zu rekonstruieren. Dies erfordert, dass darauf geachtet wird, dass die methodischen Schritte mit denen in den Proxy-Kalibrierungsdatensätzen 5,6,10 abgestimmt sind. Diese Überlegung beginnt vor der Anwendung dieses Protokolls bei der Entnahme fossiler Blätter, insbesondere im Hinblick auf die Stichprobengröße. Es wird empfohlen, fossile Blattansammlungen über einen möglichst engen Stratigraphiebereich zu bündeln, um eine geeignete Anzahl messbarer Exemplare und Morphotypen zu erhalten und die Zeitmittelung zu minimieren. Es wird ebenfalls empfohlen, die Paläoklimarekonstruktion auf Standorte mit mindestens 350 identifizierbaren Exemplaren und mindestens 15-20 holzigen Dikotyledonen-Angiospermen-Morphotypen zu beschränken 19,51,52. Darüber hinaus wird bei der Auswahl der Blätter für die Analyse empfohlen, so viele Blätter wie möglich pro Morphotyp zu messen und zumindest Proben auszuwählen, die die Variabilität der Blattphysiognomie innerhalb eines Morphotyps repräsentieren.

Bei der Implementierung der Vorbereitungs- und Messabschnitte muss weitere Sorgfalt walten gelassen werden, um mit dem Kalibrierungsdatensatz konsistent zu bleiben. Die Schritte, die während der Vorbereitungsphasen durchgeführt werden, haben das größte Potenzial für Subjektivität und unterschiedliche Ergebnisse zwischen den Benutzern. Wenn jedoch das Protokoll bewusst befolgt wird und häufig auf die Tabellen mit zusätzlichen Überlegungen (Tabelle 2, Tabelle 3) und das Regeldokument (Zusatzdatei 3) Bezug genommen wird, führt diese Methode zu objektiven und reproduzierbaren Messungen der Blattphysiognomie. Für Benutzer, die mit der Methode noch nicht vertraut sind, wird empfohlen, mit jemandem, der mehr Erfahrung hat, zu bestätigen, dass die Blätter korrekt zubereitet wurden. Besondere Vorsicht ist bei der Messung der Blattstielbreite bei MA-Rekonstruktionen geboten. Da diese Werte quadriert sind, wird die Ungenauigkeit in den Messungen übertrieben. Unvollständige Konservierung und Beschädigung können die Abmessungen der Blattstiele verändern und sollten sorgfältig vermieden werden.

Es gibt einige Einschränkungen bei diesen Methoden, die es wert sind, beachtet zu werden. Am wichtigsten ist, dass die Proxy-Rekonstruktionen, die im dilp R-Paket enthalten sind, nur für holzige Dikotyledonen-Angiospermen gelten und daher andere Pflanzengruppen ausschließen können, die prominente Bestandteile alter Gemeinschaften waren. Es wurden jedoch zusätzliche auf Blattstielen basierende Proxys für MA auf Speziesebene für Blattstiel- und breitblättrige Gymnospermen 5,8, krautige Angiospermen8 und Farne9 veröffentlicht, die ein Benutzer bei Bedarf separat einbeziehen könnte. Der Ausschluss prominenter Pflanzengruppen in Gemeinschaften, die über holzige Dikotyledonen-Angiospermen hinausgehen, ist wahrscheinlich am wirkungsvollsten für die Rekonstruktion des M A-Mittelwerts und der Varianz auf Standortebene, da sie eine unvollständige Perspektive der wirtschaftlichen Strategien innerhalb der gesamten Gemeinschaft bieten. Die phylogenetische Geschichte beeinflusst das Auftreten von Blattzähnen23, was das Potenzial birgt, dass die Analyse fossiler Gemeinschaften mit neuer taxonomischer Zusammensetzung zu Unsicherheiten bei den resultierenden Schätzungen führen kann, obwohl die Realisierung dieses potenziellen Einflusses noch nicht getestet und nachgewiesen wurde.

Fossile Blätter müssen auch angemessen konserviert werden, um quantitative Messungen der Blattphysiognomie über den Randzustand hinaus einzubeziehen. Für DiLP gilt dies insbesondere für ganzrandige Blätter, da sie nur dann Informationen über den Randzustand hinaus beitragen können, wenn das ganze Blatt oder das halbe Blatt erhalten bleibt oder rekonstruiert werden kann. Ebenso können Blätter nur dann in MA-Rekonstruktionen eingearbeitet werden, wenn (1) sowohl ihr Blattstiel beim Einsetzen in die Blattspreite erhalten bleibt als auch in bestimmten Fällen die Basis des Blattes und der basale äußerste Teil der Mittelader erhalten bleiben (siehe Anmerkung in Schritt 3.6) und (2) wenn die Größe des Blattes geschätzt werden kann, entweder durch Ganzblattvermessung oder durch Halbblattrekonstruktion. Dies bedeutet, dass einige Morphotypen möglicherweise vollständigvon MA-Analysen auf Standortebene ausgeschlossen werden. Zu guter Letzt ist die Zeit bei diesem Protokoll eine Einschränkung, da die Herstellung univariater Alternativen für Paläoklima-Rekonstruktionen vergleichsweise weniger Zeit in Anspruch nimmt.

Trotz dieser Einschränkungen hat die Verwendung von DiLP-und MA-Rekonstruktionsmethoden immer noch einige Vorteile gegenüber anderen Methoden. MA-Rekonstruktionen sind eine der wenigen Möglichkeiten, die ökonomischen Strategien der Blätter im Fossilienbestand zu rekonstruieren, und die Verwendung von zweidimensionalen Messungen der Blattstielbreite und der Blattfläche ermöglicht es, Rekonstruktionen unter Verwendung gängiger Abform-/Kompressionsblattfossilien durchzuführen. Für DiLP verbessert die Einbeziehung mehrerer kontinuierlicher Messungen, die funktional mit dem Klima verknüpft sind, die Reproduzierbarkeit der Messungen und die Genauigkeit der resultierenden Klimarekonstruktionen 6,13. Dieses Protokoll ist so konzipiert, dass es der unvollständigen Natur des Fossilienbestands Rechnung trägt, indem es die Messung der Blattzähigkeit anhand von Blattfragmenten ermöglicht. Obwohl kontinuierliche Messungen der Blattfläche mehr Informationen über die Blattgröße liefern, können DiLP MAP-Schätzungen durch solche ergänzt werden, die Blattgrößenklassen verwenden, um die Stichprobengröße zu erhöhen16,53 oder durch die Einbeziehung von Schätzungen der Aderskalierung der Blattfläche 42,54,55. Wie bei den meisten involvierten Methoden verbessert sich die Zeiteffizienz dieses Protokolls, wenn der Benutzer erfahrener und sicherer wird, insbesondere in den Vorbereitungsschritten. Die Tatsache, dass die DiLP-Messungen auf Standortebene nach diesem Protokoll für >150 moderne 6,10,56 und mindestens 22 fossile Ansammlungen bis heute durchgeführt wurden, bezeugt die Machbarkeit 6,38,39,40,41,42. Schließlich haben umfassende Messungen der Blattphysiognomie Anwendungen, die über die hier diskutierten hinausgehen und bei der Beschreibung anderer Aspekte der Pflanzenökologie, Physiologie, Evolution und Entwicklung nützlich sein können, wobei sie sowohl auf moderne56 als auch auf Paläostudien angewendet werdenkönnen 40.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Implementierung der in diesem Artikel beschriebenen Methoden es einem Benutzer ermöglicht, das Paläoklima und die Paläoökologie mit robusten und reproduzierbaren Methoden zu rekonstruieren. Diese Methoden bieten eine wichtige Gelegenheit, Beispiele aus der Vergangenheit für Klima- und Ökosystemreaktionen auf Umweltstörungen zu präsentieren und weitere Einblicke in die komplexen Wechselwirkungen der natürlichen Systeme der Erde zu gewinnen.

Danksagungen

AJL dankt dem Bachelor-Team Leaf 2020-2022 an der University of Washington für die Motivation und die Vorschläge zur Erstellung effektiver Schulungsmaterialien für DiLP. AGF, AB, DJP und DLR danken den vielen Studenten der Wesleyan University und der Baylor University, die moderne und fossile Blätter vermessen haben und deren Beitrag zur Änderung und Aktualisierung dieses Protokolls von unschätzbarem Wert war. Die Autoren danken der PBot Quantitative Traits Working Group und dem PBOT-Team dafür, dass sie die Arbeit zur Formalisierung dieses Protokolls gefördert haben, um es für breitere Gemeinschaften zugänglicher zu machen. Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (Grant EAR-0742363 an das DLR, Grant EAR-132552 an DJP) und der Baylor University (Young Investigator Development Program an DJP) unterstützt. Wir danken zwei anonymen Gutachtern und dem Review-Editor für das Feedback, das dazu beigetragen hat, die Klarheit und Vollständigkeit dieses Protokolls zu verbessern.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Kopierständer oder StativFür die Fossilienfotografie
DigitalkameraFür die Fossilienfotografie wird eine hochauflösende Kamera bevorzugt
Bildbearbeitungssoftware Für die digitale Vorbereitung. Beispiele hierfür sind Adobe Photoshop und GIMP, wobei letzteres die kostenlose (https://www.gimp.org/)
ImageJ-Softwareist IJ1.46prFür die Erstellung digitaler Messungen, kostenlose Software (https://imagej.net/ij/index.html)
Microsoft ExcelMicrosoftOder ähnliche Software für die Dateneingabe
R-SoftwareDie R-StiftungZum Ausführen des bereitgestellten R-Skripts (https://www.r-project.org/). R studio bietet eine benutzerfreundliche R-Umgebung (https://posit.co/download/rstudio-desktop/). Beides ist kostenlos.
dilp R PaketKann wie folgt installiert werden: https://github.com/mjbutrim/dilp

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Rekonstruktion des terrestrischen Paläoklimas und der Paläoökologie mit fossilen Blättern unter Verwendung der digitalen Blattphysiognomie und der Blattmasse pro Fläche
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