Rekonstrukcja paleoklimatu i paleoekologii lądu za pomocą skamieniałych liści przy użyciu cyfrowej fizjonomii liści i masy liści na obszar
25 października 2024
Prezentowany protokół pokazuje cyfrowy pomiar i analizę ciągłych cech fizjonomicznych liści na skamieniałych liściach w celu rekonstrukcji paleoklimatu i paleoekologii przy użyciu metod rekonstrukcji cyfrowej fizjonomii liści i masy liści na obszar.
Nasze badania koncentrują się na zrozumieniu związku między cechami roślin a klimatem i ekologią we współczesnych roślinach. Następnie, korzystając z tych zależności, możemy opracować proxy lub modele, które możemy wykorzystać do rekonstrukcji klimatu i ekologii w starożytnych zbiorowiskach roślinnych. Ostatnie badania koncentrowały się na zrozumieniu biologicznych, fizjologicznych i ewolucyjnych podstaw związku między cechami roślin a klimatem i ekologią obecnie i w przeszłości.
Badania te wykazały, że cechy roślin reagują na klimat i ekologię zarówno w czasie życia pojedynczej rośliny, jak i w czasie ewolucji. Nasze badania wykazały, że pomimo złożonych czynników, które wpływają na cechy roślin, istnieją bardzo silne empiryczne zależności między cechami liści a klimatem i ekologią. Wykorzystaliśmy te zależności do opracowania modeli rekonstrukcji klimatu i ekologii, które były stosowane w różnych sytuacjach w historii Ziemi.
Metody te udoskonalają rekonstrukcję paleoklimatu i paleoekologii, aby zapewnić znacznie bardziej wszechstronne zrozumienie ekosystemów i klimatu lądowego i są dostępne tylko dzięki badaniom naszej współczesnej Ziemi. Taka perspektywa ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia, co przyniesie nam przyszłość Ziemi, ponieważ klimat i ekosystemy reagują na wpływ antropogeniczny. Jest to podejście oparte na fizjonomii liści, co oznacza, że nie wymaga dokładnej identyfikacji taksonomicznej.
Ponadto DiLP wykorzystuje cyfrowe pomiary ciągłych cech liści, a nie jakościowych i kategorycznych, co pozwala na większą odtwarzalność, a te cechy liści mają funkcjonalny związek z klimatem. Na początek umieść skamielinę liścia pod kamerą i upewnij się, że leży tak płasko, jak to możliwe. Sfotografuj skamieniały liść i odpowiednio oznacz plik obrazu.
Następnie otwórz obraz liścia zęba, którego obszar jest zachowany lub można go zrekonstruować w oprogramowaniu do przetwarzania obrazu i w razie potrzeby przytnij obraz. Wybierz obraz, a następnie płótno, aby zwiększyć szerokość obszaru roboczego. Dodaj nową kanwę po prawej lub lewej stronie bieżącej kanwy.
Teraz zdecyduj o metodzie przygotowania liścia, określając, czy do pomiarów powierzchni i kształtu użyć całego liścia, czy połowy liścia. Za pomocą narzędzia lasso obrysuj brzeg liścia, w tym ogonek liściowy, jeśli jest obecny. Skopiuj i wklej wybraną część liścia na otwartym obszarze płótna, tworząc dwie kopie, jedną oryginalną i jedną zapasową, do której można wrócić w razie potrzeby.
Wizualnie podążaj za brzegiem liścia do punktu, w którym styka się z ogonkiem, często ciemniejszym i bez charakterystycznych żyłek. Umieść tam punkt lassa i powtórz dla drugiej połowy. Owiń cały ogonek, aby zakończyć wybór.
Następnie wytnij i wklej ogonek. Skopiuj i wklej izolowany liść z usuniętym ogonkiem liściowym i umieść go w otwartej przestrzeni płótna. Za pomocą narzędzia lasso przytnij nadmiar materiału liściowego, aby upewnić się, że pozostała cała połowa liścia na przygotowania lub pozostaw cały liść nienaruszony, jeśli przygotowujesz pełny liść.
Za pomocą linii lub pędzla napraw wszelkie uszkodzone obszary wzdłuż brzegu liścia linią o odpowiednim kolorze i grubości. Aby zmierzyć zęby liścia, skopiuj liść i umieść go na otwartej przestrzeni na płótnie. Użyj narzędzia lasso, aby usunąć obszar przylegający do uszkodzonych części marginesu.
Rozpocznij zaznaczanie w punkcie wzdłuż brzegu, który ogranicza uszkodzoną część i narysuj linię prostą do głównej żyły prostopadłej do niej. Selekcję należy rozpocząć od zachowanej zatoki zęba mlecznego znajdującej się najbliżej uszkodzenia. Kontynuuj selekcję wzdłuż żyły głównej, aż zrówna się z drugą granicą uszkodzonego brzegu.
Następnie narysuj linię prostą prostopadłą do żyły głównej do brzegu. Usuń uszkodzoną część liścia i powtórz proces dla wszystkich uszkodzonych części. Skopiuj i wklej wersję liścia przygotowaną do wymiarów zębów i umieść ją w otwartej przestrzeni płótna.
Użyj narzędzia lasso, aby usunąć zęby z liścia. Zacznij od wierzchołka liścia, jednego z końcówek płata lub czubka fragmentu liścia i wybierz każdą zatokę zęba mlecznego wzdłuż liścia, płata lub fragmentu. Po wybraniu zatoki wierzchołkowej najbardziej podstawowego zęba, zastosuj regułę przedłużenia, aby wyciąć ostatni ząb z sekwencji.
Usuń zęby, wycinając je i wklejając obok blaszki liściowej, upewniając się, że usunięte zęby nie dotykają oryginalnego ostrza. Aby rozpocząć, otwórz oprogramowanie ImageJ i ustaw parametry dla pomiarów automatycznych. Przejdź do sekcji Analizuj i wybierz ustawione pomiary.
Następnie wybierz opcje obszaru, obwodu i średnicy Fereta. Teraz otwórz przygotowany obraz skamieniałego liścia, wybierając plik i otwórz. Użyj narzędzia Linia prosta, aby powiększyć pasek skali i narysować na nim najdłuższą możliwą linię prostą.
Aby ustawić skalę obrazu, kliknij przycisk Analizuj i ustaw skalę. Wprowadź zmierzoną długość podziałki liniowej w centymetrach i kliknij przycisk OK. W arkuszu kalkulacyjnym wprowadzania danych oznacz liść jako 0 dla zęba lub 1 dla całego.
Zmierz również szerokość ogonka liściowego, jeśli jest dostępna, i zapisz dane w arkuszu kalkulacyjnym wprowadzania danych. Następnie wybierz obraz. Wpisz ośmiobitową wartość, aby przekonwertować obraz liścia na czarno-biały.
Przejdź do regulacji obrazu i progu. Aby rozpocząć, progowanie obrazu. Za pomocą suwaka dostosuj próg, aż wnętrze skrzydła zmieni kolor na czerwony i będzie wyraźnie oddzielone od tła.
Powiększ sekcje marginesu, aby zapewnić dokładność. Aby zmierzyć liść przygotowany do pomiaru powierzchni i kształtu liścia z usuniętym ogonkiem, użyj jednego narzędzia i kliknij wnętrze liścia, aby obrysować go na żółto, upewniając się, że kontur prawidłowo odzwierciedla kształt liścia. Wykonuj pomiary za pomocą funkcji Analizuj i mierz lub za pomocą wyznaczonego skrótu klawiaturowego i zapisuj dane w arkuszu kalkulacyjnym.
W przypadku analizy połowy liścia wybierz narzędzie linii segmentowej w narzędziu linii i prześledź całą długość sztucznego obwodu środkowego. Następnie kliknij przycisk Analizuj i zmierz lub użyj skrótu, aby zmierzyć długość sztucznego środkowego obwodu. Zapisz obszar, obwód, Feret, minimalny Feret i długość sztucznego środkowego obwodu.
Aby dostosować wymiary dla połowy liścia w arkuszu kalkulacyjnym wprowadzania danych, pomnóż powierzchnię i minimalną wartość Feret przez dwa. I oblicz obwód ostrza, korzystając z podanego wzoru. Zmierz powierzchnię wyciętego ogonka liściowego, jeśli jest obecna, i zapisz jego powierzchnię.
Aby zmierzyć surowe ostrze, użyj jednego narzędzia, aby wybrać wnętrze ostrza obrysowane na żółto. Kontynuuj pomiary, klikając przycisk Analizuj i mierz lub używając skrótu klawiaturowego. W arkuszu kalkulacyjnym wprowadzania danych zapisz obszar i obwód surowych ostrzy w wyznaczonych polach.
Aby zmierzyć wewnętrzne surowe ostrze, wybierz wnętrze ostrza i obrysuj całe skrzydło na żółto. Pomiary można wykonywać, klikając przycisk Analizuj i mierz lub używając skrótu. Zapisz obszar i obwód wewnętrznego surowego bloku w arkuszu kalkulacyjnym wprowadzania danych w odpowiednich polach.
Wyczyść próg, aby wyraźnie zobaczyć liść, klikając przycisk resetuj w polu progu lub używając opcji edytuj i cofnij, aby usunąć modyfikacje, takie jak konwersja czarno-biała. Następnie użyj narzędzia Linia segmentowa, aby prześledzić całą długość obwodu cięcia. Zmierz prześledzony obwód, klikając przycisk Analizuj i zmierz lub używając skrótu.
Aby policzyć liczbę zębów mlecznych, najpierw kliknij prawym przyciskiem myszy narzędzie punkt, aby wybrać narzędzie z wieloma punktami. Kliknij na każdy ząb mleczny, aby go ponumerować. Aby usunąć omyłkowo zaznaczony punkt, naciśnij Alt lub polecenie, CMD lub Option podczas klikania punktu.
Zapisz ostateczną liczbę pod zębami mlecznymi w arkuszu kalkulacyjnym wprowadzania danych. Kliknij przycisk edytuj, zaznacz i nie zaznaczaj braku, aby wyczyścić liczbę narzędzi wielopunktowych i adnotacje. Następnie, aby policzyć całkowitą liczbę zębów, kliknij prawym przyciskiem myszy narzędzie punktowe i wybierz narzędzie wielopunktowe.
Kliknij każdy ząb, w tym główny i pomocniczy, aby go ponumerować. Zarówno strona McAbee H1, jak i H2 wykazywała fizjonomię liści, która dobrze pasuje do zakresu zestawu danych kalibracyjnych, co wskazuje na wiarygodność w uzyskanych szacunkach paleoklimatycznych. Zrekonstruowana średnia roczna temperatura i średnie roczne opady dla McAbee H1 i H2 sugerowały umiarkowany biom sezonowy.
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia protokół cyfrowego pomiaru i analizy ciągłych cech fizjonomicznych liści na podstawie kopalnych liści. Celem jest rekonstrukcja paleoklimatu i paleoekologii z wykorzystaniem metod cyfrowej fizjonomii liści oraz rekonstrukcji masy liścia na jednostkę powierzchni.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Paleoklimatologia
- Paleoekologia
- Fizjologia roślin
Wstęp
- Zrozumienie związku między cechami roślin a klimatem jest kluczowe dla rekonstrukcji dawnych ekosystemów.
- Cechy roślin reagują na klimat i ekologię zarówno w skali życia pojedynczych osobników, jak i w skalach ewolucyjnych.
- Istnieją silne zależności empiryczne między cechami liści a klimatem, co wspomaga rekonstrukcje ekologiczne.
- Metody cyfrowe zwiększają powtarzalność i dokładność pomiarów cech liści.
Cel badania
- Opracowanie modeli rekonstrukcji klimatu i ekologii w dawnych zbiorowiskach roślinnych.
- Udoskonaleń rozumienia ekosystemów lądowych poprzez analizę kopalnych liści.
- Dostarczenie informacji na temat przyszłych wpływów klimatycznych w oparciu o dane historyczne.
Zastosowane metody
- Cyfrowe obrazowanie skamieniałych liści w celu uzyskania dokładnych pomiarów.
- Wykorzystanie oprogramowania do przetwarzania obrazów do analizy powierzchni i kształtu liści.
- Zastosowanie narzędzi typu lasso do precyzyjnego zaznaczania krawędzi i cech liści.
- Techniki progowania w celu odróżnienia struktur liści od tła.
Główne wyniki
- Skuteczna ekstrakcja ciągłych cech liści z okazów kopalnych.
- Wykazanie efektywności metod cyfrowych w badaniach paleobotanicznych.
- Ustanowienie solidnych ram dla przyszłych badań nad interakcjami roślin z klimatem.
- Przedstawienie kompleksowej metodologii analizy fizjonomii liści.
Wnioski
- Badanie to pogłębia zrozumienie reakcji roślin na zmiany klimatu w czasie.
- Cyfrowa fizjonomia liści stanowi wiarygodne podejście do rekonstrukcji paleoklimatu.
- Zdobyta wiedza może służyć do formułowania prognoz dotyczących przyszłych zmian ekologicznych.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ilościowa analiza cyfrowa fizjonomii liści umożliwia powtarzalną, wysokoprzepustową ekstrakcję cech morfologicznych zarówno z okazów współczesnych, jak i kopalnych, co wspiera opracowywanie wiarygodnych wskaźników do rekonstrukcji środowiskowych. Podejście to zwiększa pewność prognostyczną w modelach paleoklimatycznych i paleoekologicznych, dostarczając danych do decyzji uwzględniających ryzyko w translacyjnej nauce o roślinach i biologii ewolucyjnej. Powtarzalność tej metodologii oraz jej niezależność od identyfikacji taksonomicznej sprawiają, że stanowi ona wielokrotnego użytku zasób dla interdyscyplinarnych procesów badawczo-rozwojowych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia empiryczną analizę zależności między cechami a środowiskiem w skalach czasowych ewolucji.
- Wspiera funkcjonalną walidację cech morfologicznych będących wskaźnikami (proxy) w badaniach nad adaptacją środowiskową.
- Ułatwia mitygację ryzyka mechanistycznego poprzez kwantyfikację odpowiedzi cech na zmienne klimatyczne.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Standaryzuje cyfrowy pomiar ciągłych cech liści w celu uzyskania powtarzalnych danych.
- Przygotowuje zwalidowane zestawy danych o cechach do dalszych etapów modelowania ekologicznego i ewolucyjnego.
- Umożliwia skalowalne, ilościowe badanie cech morfologicznych w dużych zestawach okazów.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Umożliwia dopasowanie wskaźników opartych na cechach do punktów odniesienia paleoekologicznych i paleoklimatycznych w celu zapewnienia ciągłości translacyjnej.
- Wspiera korygowane pod kątem ryzyka rozwijanie hipotez dotyczących adaptacji roślin i reakcji ekosystemów.
- Zapewnia ramy integracji danych o cechach organizmów kopalnych i współczesnych w modelach predykcyjnych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ten cyfrowy protokół pomiarowy wpisuje się w kontinuum badawcze, obejmujące etap od testowania hipotez dotyczących cech, poprzez walidację wskaźników zastępczych, aż po modelowanie translacyjne w badaniach nad interakcjami roślin z środowiskiem.
- Biologia odkrywcza: Ilościowe określanie zależności między cechami a środowiskiem w celu wyjaśnienia ścieżek adaptacyjnych i ograniczenia niejednoznaczności mechanistycznej.
- Przesiewanie: Dostarczanie powtarzalnych, ilościowych zbiorów danych o cechach do analiz porównawczych i kalibracji modeli.
- Analityka: Generowanie wyników w formie zmiennych ciągłych (np. pole powierzchni, obwód, liczba zębów) dla rzetelnej analizy statystycznej.
- Badania translacyjne: Łączenie zbiorów danych kopalnych i współczesnych w celu opracowania modeli prognostycznych odpowiedzi roślin na zmiany środowiskowe.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwach: Oferowanie zestandaryzowanego, niezależnego od taksonu przepływu pracy, który można dostosować do różnych programów badawczych.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w rekonstrukcjach środowiskowych opartych na cechach oraz w badaniach ewolucyjnych.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność, skalowalność i standaryzację procesu pozyskiwania danych morfologicznych.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji typu go/no-go w zakresie opracowywania wskaźników zastępczych (proxy) i rozwijania hipotez.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację kierunków badawczych w badaniach nad interakcjami roślin ze środowiskiem z uwzględnieniem analizy ryzyka.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie obrazowania cyfrowego, analizy morfometrycznej i zarządzania danymi.
- Wymaga dostępu do oprogramowania do przetwarzania obrazów oraz skalibrowanej infrastruktury pomiarowej.
- Wymaga standaryzacji protokołów pomiarowych i wprowadzania danych pomiędzy zespołami.
- Możliwość zastosowania zarówno w przypadku okazów liści skamieniałych, jak i współczesnych, po odpowiednim przygotowaniu.
- Dokładność zależy od stanu zachowania okazów oraz ograniczeń jakości obrazu.
