Es posible que hayas aprendido de niño que cada año a un árbol le crece un nuevo anillo alrededor de su núcleo, y puedes envejecer un tocón de árbol contando los anillos. Hay muchos más datos en un anillo de árbol que eso. El tamaño y las propiedades de ese anillo pueden proporcionar datos sobre el clima de ese año. Efectivamente, los árboles pueden ser registradores climáticos, manteniendo un registro literal de datos. Una nueva técnica basada en la tomografía computarizada de rayos X avanzada desarrollado por el profesor Jan Van den Bulcke y sus colegas podría proporcionar un mejor acceso que nunca a esos datos.
TC, en este caso, significa tomografía computarizada. Los científicos escanean una muestra desde diferentes ángulos y luego combinan los resultados para crear imágenes 3D, que también pueden visualizarse como cortes transversales de la muestra. Es como si alguien pudiera "volar" a través del volumen digital. Van den Bulcke y sus colegas han creado un sistema de imágenes mejorado al producir un sistema de escaneo que funciona a múltiples escalas y con una resolución superior a la anterior.
Podría parecer que escalas múltiples es un enfoque peculiar. ¿Por qué no escanear a la resolución más alta? Como explicó Van den Bulcke, esta no es una solución práctica. “Obviamente, escanear todo con la mejor resolución es lo que todos quieren. Sin embargo, el tiempo para escanear un objeto completo y los volúmenes de datos finales aumentan cuando aumenta la resolución. Además, la resolución también está limitada por el tamaño del objeto: no es posible escanear un objeto grande, digamos de 10 cm de diámetro, con una resolución submicrónica. Escanear todo con la mejor resolución también puede ser ineficiente. Es beneficioso escanear a una resolución más baja, por ejemplo, para el análisis de anillos de árboles, y luego hacer zoom en detalles anatómicos interesantes en secciones de núcleos, como años específicos, en función de este primer análisis”.
La técnica se ha perfeccionado en una variedad de especies. “Tomamos una variedad de especies que comúnmente se estudian en paleoclimatología como el pino silvestre (Pinus sylvestris), con la densidad máxima de madera tardía (MXD) como el proxy más sensible para las reconstrucciones climáticas”, dijo Van den Bulcke. “También examinamos especies en las que la anatomía puede servir como indicador del clima o revelar información ecológica sobre el árbol, o especies en las que los anillos de los árboles se están estudiando en la gestión forestal, como las especies de robles (Quercus sp.), haya común (Fagus sylvatica) y abedul blanco europeo (Betula pendula). La idea principal era mostrar que cualquier tipo de especie leñosa puede manejarse y relacionarse con especies conocidas y comúnmente estudiadas”.
Poder observar cualquier especie con anillos es vital, ya que no todos los árboles producen anillos de la misma manera. El equipo de Van den Bulcke ha estado escaneando muestras difíciles para probar su sistema. “Originalmente aplicamos tomografía computarizada de rayos X en árboles de angiospermas tropicales de la cuenca del Congo, que tienen una estructura de anillos de árboles desafiante debido a la menor estacionalidad. Cualquier muestra es posible, moviéndose desde los trópicos hasta regiones donde los árboles o arbustos crecen en sus límites más externos: Rododendro También se podrían escanear muestras de la meseta tibetana, por ejemplo. Por supuesto, si se pueden distinguir o no los límites de los anillos de los árboles (es decir, la zona del bosque donde termina el anillo de ese año y comienza un nuevo anillo del año siguiente), depende de la especie, más específicamente del tipo de característica anatómica. que está determinando este límite y qué resolución se necesita para visualizar ese límite. Además, la serie temporal real dependerá de la calidad de las fechas cruzadas, y eso depende de la región/sitio donde se escanearon las muestras”.
Abordar las fechas cruzadas es un problema en el que el equipo ya ha estado trabajando. Un patrón de una serie de años podría ser como un código de barras en el anillo del árbol. Encuentre una coincidencia en los códigos de barras para dos muestras y podrá juntarlas para crear un registro climático más largo. Sin embargo, los datos de ancho son solo una parte de la muestra. El La tomografía computarizada de rayos X también permite medir la densidad para construir coincidencias más seguras entre las muestras.
Van den Bulcke espera con ansias la nueva investigación que la tomografía computarizada de rayos X multiescala puede hacer posible. “Actualmente, los datos MXD son bastante tediosos de generar. Una gran parte de las reconstrucciones de temperatura actuales basadas en MXD finalizan alrededor de los años 1980 y 1990 y aún no están lo suficientemente actualizadas. Sería muy interesante volver a visitar algunos de los árboles que fueron muestreados en esa era y actualizarlos con los últimos 20-30 años, una era con cambios climáticos significativos. Además, si bien existe una densa red de cronologías de ancho de anillos de árboles en el Banco de datos internacional de anillos de árboles, el número de cronologías MXD es menor, en parte debido al número limitado de instalaciones clásicas de densitometría y los pasos de preparación de muestras. Especialmente, el hemisferio sur tiene muy pocas series MXD hasta la fecha. La tomografía computarizada de rayos X permite indicar los límites de los anillos de los árboles y derivar series MXD de una manera muy rápida”.
“Como nuestra configuración actual permite mediciones anatómicas en subsecciones, algoritmos de aprendizaje automático que se utilizan en microsecciones o lijadas pueden ayudar a indicar de forma semiautomática fracciones de tejido en imágenes 3D, lo que también reduce el tiempo de permanencia en el laboratorio y aumenta el tamaño de la muestra. Sería muy complementario al enfoque convencional, ya que los volúmenes de TC de rayos X permiten explotar la naturaleza 3D del volumen virtual, que hasta ahora no se ha explotado mucho. Sin embargo, para tener un flujo de trabajo eficiente desde la muestra hasta los datos, aún queda trabajo por hacer”.
Otra ventaja de este método es que los datos que ingresan dependen de cómo se haya preparado la muestra. “Nuestro objetivo original era evitar dificultades como la preparación de muestras para escanear y aumentar el tamaño de la muestra”. dijo Van den Bulcke. “Tradicionalmente, los núcleos para el análisis de anillos de árboles se montan sobre un soporte. Por lo tanto, los núcleos de diámetro pequeño son difíciles de usar en una configuración de densitometría clásica porque deben ser aserrados con precisión en una sección delgada, perpendicular al grano, lo que hace que la muestra se destruya un poco a partir de entonces”.
Como puede evitar que las muestras se dañen, muchas más muestras se vuelven viables para el estudio, dijo Van den Bulcke. “A diferencia de la densitometría tradicional, un escáner CT de rayos X puede escanear muestras montadas de colecciones, por lo que sería muy adecuado para escanear muestras antiguas. Por supuesto, es mejor tener muestras que no hayan sido montadas en absoluto”.
Uno de los comentarios interesantes en el documento es que habría ventajas para la comunidad científica de las plantas en su conjunto, si hubiera una instalación de escaneo centralizada. “Con un sistema optimizado, se podría escanear una gran cantidad de núcleos anualmente”, dijo Van den Bulcke. “Aunque en el futuro podrían existir varios sistemas de tomografía computarizada de rayos X para este propósito, podemos imaginar que todavía a los grupos les gustaría confiar en una instalación existente en lugar de tener que adquirir una máquina de tomografía computarizada de rayos X ellos mismos. Cabe señalar que si en un futuro cercano este tipo de escaneo se convirtiera en un negocio de rutina, por supuesto, una sola máquina de tomografía computarizada de rayos X no podría manejar todas las solicitudes”. Van den Bulcke también cree que tener algunas instalaciones ayudaría a la reproducibilidad en el escaneo, al tener rutinas continuas para los escaneos. También permitiría un acceso confiable a la experiencia esencial. “La estrecha colaboración con un equipo de físicos de rayos X permite un control adecuado de todos los pasos de la cadena de herramientas”, agregó.
Van den Bulcke ve muchas oportunidades para el uso de la tomografía computarizada de rayos X en los estudios actuales. “La tomografía computarizada de rayos X se ha utilizado en muchos dominios de investigación diferentes para el análisis 3D. 4D, el escaneo con resolución de tiempo, también está muy de moda hoy en día, por ejemplo en la investigación de la cavitación. Básicamente, cualquier investigador interesado en la estructura jerárquica 3D de un material que necesite imágenes no destructivas podría obtener información valiosa de esta investigación, especialmente cuando se basa en plantas. En algunos casos, por ejemplo, para plantas no leñosas, como Arabidopsis el material biológico en estudio debe ser pretratado adecuadamente.”
Si bien hay muchos nuevos descubrimientos potenciales por hacer, todavía hay muchos datos para refinar, dijo Van den Bulcke. “Entre otros, existe la necesidad de actualizar las cronologías MXD actuales, tanto espacial como temporalmente. Esto requiere nuevas campañas de campo. Sin embargo, también las colecciones actuales de todo el mundo que tienen muestras pueden volver a analizarse para MXD de forma no destructiva. Además, las oportunidades de explotar imágenes de rayos X CT a nivel anatómico ofrecen nuevas perspectivas en la anatomía de la madera, para estudios ecológicos en mortalidad de árboles, cavitación, etc.
“Si bien la técnica ha existido durante varias décadas, las máquinas de rayos X CT ahora son capaces de contribuir a la era de los grandes datos con una resolución y flexibilidad que solo es factible desde la última década más o menos. Aún así, se debe trabajar para optimizar las cadenas de herramientas adaptadas a la investigación anatómica de los anillos de árboles/madera y, especialmente, el manejo eficiente de datos es un desafío. Teniendo en cuenta los materiales que no son árboles, también hay proxies marinos. como conchas marinas que pueden tratarse de manera similar a como lo presentamos en este documento”.
