Yapraklar, bitki ve çevresindeki ortam arasında enerji (örneğin ışık, ısı) ve madde (örneğin karbondioksit, su buharı) alışverişini kolaylaştıran temel üretim birimleridir 1,2. Bu işlevleri yerine getirebilmek için yaprakların durgun ve rüzgarlı havada yerçekimine karşı kendi ağırlıklarını mekanik olarak desteklemeleri gerekir 3,4. Bu içsel bağlantılar nedeniyle, yaprakların boyutunun, şeklinin ve dişlekliğinin (fizyonomi) çeşitli yönleri, işlevlerinin ve biyomekaniğinin ayrıntılarını yansıtır ve çevreleri ve ekolojileri hakkında fikir verir. Önceki çalışmalar, fosil yaprak topluluklarınauygulanabilecek vekiller oluşturmak için modern dünyada yaprak fizyonomisi, iklim ve ekoloji arasındaki ilişkileri ölçmüştür 5,6. Bu vekiller, paleoiklim ve paleoekolojiyi yeniden inşa etmek için önemli fırsatlar sunar ve tarihi boyunca gezegenin çeşitli sistemleri arasındaki karmaşık etkileşimin daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunur. Bu makale, iki vekilin kullanımı için gerekli yöntemleri detaylandırmaktadır: 1) paleoekolojiyi aydınlatmak için alan başına yaprak kütlesi yeniden yapılandırma yöntemi ve 2) paleoiklimi yeniden yapılandırmak için dijital yaprak fizyonomisi.
Alan başına yaprak kuru kütlesi (MA), hem neo hem de paleobotanikte sıklıkla ölçülen bir bitki özelliğidir. MA'nın birincil değeri, özellikle fosil rekonstrüksiyonları için, yaprak ekonomisi spektrumunun bir parçası olması, yaprak fotosentetik hızı, yaprak ömrü ve kütlece yaprak besin içeriğini içeren iyi ilişkili yaprak özelliklerinin koordineli bir ekseniolmasıdır 7. FosillerdenMA'yı yeniden yapılandırma yeteneği, aksi takdirde erişilemeyen bu metabolik ve kimyasal süreçlere bir pencere sağlar ve nihayetinde bitki ekolojik stratejisi ve ekosistem işlevi hakkında yararlı bilgiler ortaya çıkarabilir.
Royer ve ark.5, yaprak bıçağının alanına ve yaprak sapının genişliğine dayalı olarak odunsu, monokotiledon olmayan (dikot) anjiyosperm fosilyapraklarının MA'sını tahmin etmek için bir yöntem geliştirdi. Teorik olarak, yaprak sapı, yaprağın ağırlığını en uygun konumda 3,4 tutan bir konsol görevi görür. Bu nedenle, kiriş mukavemetinin en önemli bileşenini oluşturan yaprak sapının kesit alanı, yaprağın kütlesi ile güçlü bir şekilde ilişkilendirilmelidir. Yaprak sapının şeklini silindirik bir tüpe basitleştirerek, yaprak sapının enine kesit alanı, yaprak sapı genişliğinin karesi ile temsil edilebilir ve bu da yaprak kütlesinin iki boyutlu bir fosilden tahmin edilmesine olanak tanır (daha fazla ayrıntı için, bakınız Royer ve ark.5). Yaprak alanı doğrudan ölçülebilir. Birlikte, yaprak sapı genişliğinin karesi bölü yaprak alanı (yani, yaprak sapı metriği; Tablo 1) MA fosili için iyi bir vekil sağlar ve paleobotanikçilerin modern özellik temelli ekolojiye adım atmalarına izin verir. MA rekonstrüksiyon yöntemleri ayrıca geniş yapraklı ve saplı gymnospermlere 5,8, otsu anjiyospermlere8 ve eğrelti otlarına9 genişletilmiştir ve bu da odunsu dikot anjiyospermler için gözlenen ilişkilerden ve birbirinden farklı ilişkiler üretmiştir. Genişletilmiş bir odunsu dikot veri seti ve saha düzeyinde MA'nın varyansını ve ortalamasını yeniden yapılandırmak için yeni regresyon denklemleri, fosil florasındaki odunsu dikot anjiyospermler arasında yaprak ekonomik stratejilerinin çeşitliliğinin ve hangi stratejilerin en yaygın olduğunun çıkarılmasına izin verir10.
Fizyonomik yaprak özellikleri ile iklimleri arasındaki ilişki bir asırdan fazla bir süredir not edilmiştir11,12. Spesifik olarak, odunsu dikot anjiyosperm yapraklarının fizyonomisi, sıcaklık ve nem13 ile güçlü bir şekilde ilişkilidir. Bu ilişki, karasal paleoiklim için çok sayıda tek değişkenli 14,15,16,17 ve çok değişkenli 6,18,19,20,21,22 yaprak fizyonomik vekillerinin temelini oluşturmuştur. Hem tek değişkenli hem de çok değişkenli yaprak fizyonomik paleoiklim yöntemleri, Dünya tarihinin son ~ 120 milyon yılını (Kretase'den moderne) kapsayan tüm kıtalarda kapalı tohumların baskın olduğu fosil floralara yaygın olarak uygulanmıştır.23.
Yaprak fizyonomik paleoiklim vekillerinde kullanılan iki temel gözlem, 1) yaprak boyutu ile ortalama yıllık yağış (MAP) arasındaki ilişki ve 2) yaprak dişleri (yani yaprak kenarının dışa doğru çıkıntıları) ve ortalama yıllık sıcaklık (MAT) arasındaki ilişkidir. Spesifik olarak, bir lokalitedeki tüm odunsu dikot anjiyosperm türlerinin ortalama yaprak boyutu MAP ile pozitif korelasyon gösterir ve dişli yaprakların olduğu bir lokalitedeki odunsu dikot anjiyosperm türlerinin oranı, diş boyutu ve sayısına ek olarak MAT 6,12,13,14,15,16,24 ile negatif korelasyon gösterir.
Bu yaprak fizyonomisi-iklim ilişkileri arasındaki işlevsel bağlantı, hem teori hem de gözlemtarafından güçlü bir şekilde desteklenmektedir 1,2,25. Örneğin, daha büyük yapraklar daha fazla fotosentetik yüzey alanı sağlasa da, daha fazla desteğe ihtiyaç duyarlar, terleme yoluyla daha fazla su kaybederler ve daha kalın bir sınır tabakası nedeniyle daha fazla duyulur ısıyı korurlar 1,26,27. Bu nedenle, daha büyük yapraklar daha ıslak, daha sıcak ortamlarda daha yaygındır, çünkü artan terleme yoluyla su kaybı yaprakları etkili bir şekilde soğutur ve daha az sorunludur. Buna karşılık, daha kuru sıcak iklimlerde daha küçük yapraklar su kaybını azaltır ve bunun yerine duyulur ısı kaybını artırarak aşırı ısınmayı önler28,29. Hangi faktörlerin veya faktörlerin kombinasyonunun, işlevsel bağlantıları açıklamaya en güçlü şekilde katkıda bulunduğunun ayrıntıları, diğer yaprak özellikleri için muamma olmaya devam etmektedir. Örneğin, yaprak soğutması, verimli tomurcuk paketleme, ince yaprakların gelişmiş desteği ve temini, hidatotlar yoluyla bağırsaklama ve gelişmiş erken sezon üretkenliği dahil olmak üzere yaprak dişleri-MAT ilişkisini açıklamak için önerilen birkaç hipotez vardır 30,31,32,33.
Çoğu yaprak fizyonomik paleoiklim vekili, sürekli değişkenlerin nicel ölçümlerinden ziyade yaprak özelliklerinin kategorik bölünmesine dayanır ve bu da çeşitli potansiyel eksikliklere yol açar. Kategorik yaklaşım, paleoiklim tahminlerinin doğruluğunu azaltabileniklimle güçlü bir şekilde ilişkili olan (örneğin, diş sayısı, yaprak doğrusallığı) sürekli ölçümlerle yakalanan daha ayrıntılı bilgilerin dahil edilmesini hariç tutar 6,20,34. Ek olarak, yaprak özelliği puanlama yöntemlerinin bazılarında, kategorik olarak puanlanan özellikler belirsiz olabilir, bu da tekrarlanabilirlik sorunlarına yol açabilir ve bazı özelliklerin iklim 6,15,16,35,36 ile işlevsel bağlantılarını desteklemek için sınırlı ampirik kanıtları vardır.
Bu eksiklikleri gidermek için, Huff ve ark.20, dijital yaprak fizyonomisi (DiLP) olarak bilinen bir yöntemde sürekli yaprak özelliklerinin dijital olarak ölçülmesini önerdi. DiLP'nin önceki yöntemlere göre önemli bir avantajı, 1) kullanıcılar arasında güvenilir bir şekilde ölçülebilen, 2) doğası gereği sürekli olan, 3) işlevsel olarak iklimle bağlantılı olan ve 4) büyüme mevsimleri arasında fenotipik plastisite gösteren özellikleredayanmasıdır 6,37. Bu, önceki yaprak fizyonomik paleoiklim yöntemlerinden daha doğru MAT ve MAP tahminlerine yol açmıştır6. Ek olarak, yöntem, hasarlı ve eksik yaprakları hesaba katmak için adımlar sağlayarak fosil kayıtlarının kusurlu doğasını barındırır. DiLP yöntemi, 6,38,39,40,41,42 gibi geniş bir jeolojikzaman aralığını kapsayan birden fazla kıtadan bir dizi fosil florasına başarıyla uygulanmıştır.
Aşağıdaki protokol, daha önceki çalışma 5,6,20,34'te açıklananın bir uzantısıdır. DiLP ve MA rekonstrüksiyon yöntemlerini kullanarak odunsu dikot, anjiyospermler, fosil yapraklardan paleoiklim ve paleoekolojiyi yeniden yapılandırmak için gerekli prosedürleri açıklayacaktır (bu protokolün kullanılmasıyla ölçülen ve hesaplanan değişkenlerin açıklaması için Tablo 1'e bakınız). Ek olarak, bu protokol, DiLP veya MA analizine dahil edilmeyen ancak uygulanması kolay olan ve yaprak fizyonomisinin yararlı karakterizasyonlarını sağlayan yaprak özelliklerinin kaydedilmesi ve hesaplanması için adımlar sağlar (Tablo 1). Protokol aşağıdaki formatı takip eder: 1) Fosil yaprakların görüntülenmesi; 2) Beş olası hazırlama senaryosu halinde düzenlenmiş yaprak dijital hazırlama; 3) aynı beş olası hazırlık senaryosuna göre düzenlenmiş yaprak dijital ölçümü; ve 4) R paketi dilp10 kullanılarak DiLP ve MA analizleri.
MA rekonstrüksiyonları için protokol, DiLP protokolünün içine yerleştirilmiştir, çünkü her ikisi de birbiriyle hazırlanmak ve birlikte ölçmek için uygundur. Bir kullanıcı yalnızca MA analizleriyle ilgileniyorsa, yaprak kenarının dişli olup olmadığına bakılmaksızın DiLP hazırlama senaryosu 2'de açıklanan hazırlık adımlarını ve yalnızca yaprak sapı genişliğini, yaprak sapı alanını ve yaprak alanı ölçümlerini açıklayan ölçüm adımlarını izlemelidir. Bir kullanıcı daha sonra MA yeniden yapılandırmalarını gerçekleştiren dilp R paketinde uygun işlevleri çalıştırabilir.