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X 射线 CT 扫描可以促进树木年轮研究

花匠小妙招
2025-03-11 21:33

您小时候可能已经了解到，每年树都会在其核心周围长出一个新的年轮，您可以通过数年轮来使树桩变老。树木年轮中的数据远不止于此。该环的大小和特性可以提供当年气候的数据。实际上，树木可以成为气候记录器，记录数据的文字记录。一种基于先进X射线CT扫描的新技术由 Jan Van den Bulcke 教授和他的同事开发的，可以提供比以往更好的数据访问。

在这种情况下，CT 代表计算机断层扫描。科学家以不同角度扫描样本，然后将结果放在一起创建 3D 图像，也可以将其可视化为样本的横截面切片。就好像有人可以“飞”过数字卷一样。 Van den Bulcke 和他的同事们通过生产一个可以在多个尺度上工作并且分辨率比以前更高的扫描系统，创造了一个更好的成像系统。

多尺度似乎是一种特殊的方法。为什么不以最高分辨率扫描？正如 Van den Bulcke 解释的那样，这不是一个实用的解决方案。 “显然，以最高分辨率扫描所有内容是每个人都想要的。但是，当您提高分辨率时，扫描整个对象的时间和最终数据量会增加。此外，分辨率还受物体尺寸的限制：不可能以亚微米分辨率扫描直径为 10 厘米的大物体。以最高分辨率扫描所有内容也可能效率低下。以较低的分辨率进行扫描是有益的，例如树木年轮分析，然后根据第一次分析放大核心部分有趣的解剖细节，例如特定年份。”

苏格兰松增量核心的扫描，从核心到年轮向下到单个早木细胞水平。图片由 Van den Bulcke 提供等... 2019。

该技术已在多种物种上得到磨练。 “我们采用了古气候学中常研究的各种物种，例如欧洲赤松 (樟子松)，最大晚材密度 (MXD) 是气候重建最敏感的指标，”Van den Bulcke 说。 “我们还检查了解剖学可以作为气候代理或揭示树木生态信息的物种，或在森林管理中研究树木年轮的物种，例如橡树物种（栎 sp.), 普通山毛榉 (水青冈) 和欧洲白桦 (垂枝桦). 主要想法是表明任何类型的木本物种都可以处理，并且与众所周知和经常研究的物种有关。”

能够观察任何带有年轮的物种是至关重要的，因为并非所有树木都以相同的方式产生年轮。 Van den Bulcke 的团队一直在扫描困难的样本来测试他们的系统。 “我们最初将 X 射线 CT 应用于刚果盆地的热带被子植物，由于季节性较低，这些树的年轮结构具有挑战性。任何样本都是可能的，从热带一直到树木或灌木生长在最外层的地区：杜鹃例如，也可以扫描青藏高原的样本。当然，是否可以辨别树木年轮边界（即当年年轮结束和下一年新年轮开始的木材区域）取决于物种，更具体地说是解剖特征的类型那就是确定这个边界以及可视化该边界所需的分辨率。此外，实际的时间序列将取决于交叉约会的质量，这取决于样本被扫描的地区/地点。”

解决交叉约会是该团队一直在努力解决的问题。一系列年份的模式可能就像树木年轮中的条形码。在两个样本的条形码中找到匹配项，您可以将它们放在一起以建立更长的气候记录。然而，宽度数据只是样本的一部分。这 X 射线 CT 扫描还可以测量密度为了在样本之间建立更安全的匹配。

Van den Bulcke 期待新的研究多尺度 X 射线 CT 扫描能够成为可能。 “目前，MXD 数据的生成非常繁琐。当前基于 MXD 的温度重建的很大一部分在 1980 年代和 1990 年代左右结束，并且尚未得到充分更新。最有趣的是重新审视那个时代采样的一些树木，并用过去 20-30 年更新它们，这是一个气候变化显着的时代。此外，虽然在国际树木年轮数据库， MXD 年表数量较少，部分原因是经典密度测定设备和样品制备步骤的数量有限。特别是，南半球迄今为止几乎没有 MXD 系列。 X 射线 CT 可以指示树木年轮边界并以非常快速的方式推导 MXD 系列。”

“由于我们目前的设置允许对分段进行解剖测量，机器学习算法用于打磨或显微切片的 DNA 可以帮助半自动指示 3D 图像上的组织碎片，从而减少在实验室花费的时间，同时增加样本量。这将是对传统方法的非常大的补充，因为 X 射线 CT 容积允许利用虚拟容积的 3D 特性，而这在目前尚未得到充分利用。尽管如此，要实现从样本到数据的高效工作流程，仍有许多工作要做。”

这种方法的另一个优点是输入的数据取决于样品的制备方式。 “我们最初的目标是避免诸如准备扫描样本和增加样本量等困难。” 范登布克说。 “传统上，树木年轮分析的核心安装在支架上。因此，小直径芯很难用于经典的密度测定装置，因为它们需要被精确地锯成垂直于晶粒的薄片，这会导致样本随后受到一定程度的破坏。”

Van den Bulcke 说，由于您可以防止样品被损坏，因此更多的样品可以用于研究。 “与传统的密度测定法不同，X 射线 CT 扫描仪可以扫描收藏品中的镶嵌样本，因此非常适合扫描旧样本。当然，最好还是有没有镶嵌的样品。”

该论文中有趣的评论之一是，如果有一个集中的扫描设施，整个植物科学界都会有优势。 “通过优化系统，每年可以扫描大量岩心，”范登布克说。 “尽管未来可能为此目的存在多个 X 射线 CT 系统，但我们可以想象，仍有一些团体愿意依赖现有设施，而不是必须自己购买 X 射线 CT 机。需要注意的是，如果在不久的将来这种扫描成为一种常规业务，那么一台 X 光 CT 机当然无法满足所有需求。” Van den Bulcke 还认为，通过持续进行扫描例程，拥有一些设施将有助于扫描的再现性。它还将使可靠地获得必要的专业知识成为可能。 “与 X 射线物理学家团队的密切合作可以正确控制工具链的所有步骤，”他补充说。

Van den Bulcke 看到了在当前研究中使用 X 射线 CT 扫描的许多机会。 “X 射线 CT 扫描已用于许多不同的 3D 分析研究领域。例如，4D 时间分辨扫描如今也非常受关注在空化研究中. 基本上，任何对需要非破坏性成像的材料的 3D 层次结构感兴趣的研究人员都可以从这项研究中获取一些有价值的信息，尤其是当它是基于植物的时候。在某些情况下，例如对于非木本植物，例如拟南芥研究中的生物材料应进行适当的预处理。”

Van den Bulcke 说，虽然有很多潜在的新发现有待发现，但仍有大量数据需要完善。 “除其他外，需要在空间和时间上更新当前的 MXD 年表。这需要新的实地活动。然而，也可以以非破坏性的方式重新分析世界各地现有的样本收藏。此外，在解剖层面利用 X 射线 CT 图像的机会为木材解剖学、树木死亡率、空化等生态学研究提供了新视角。”

“虽然这项技术已经存在了几十年，但 X 射线 CT 机现在能够以过去十年左右才具备的分辨率和灵活性为大数据时代做出贡献。尽管如此，还需要做一些工作来优化为树木年轮/木材解剖学研究量身定制的工具链，尤其是高效的数据处理是一个挑战。考虑到非树木材料，也有海洋代理比如贝壳可以像我们在本文中介绍的那样对待它。”