Angewandte Mathematik
Am Zahn der Zeit
Am ÖAW-Institut für Geographic Information Science in Salzburg haben Forscherinnen und Forscher ein Tool entwickelt, mit dem sich fossile Funde zerstörungsfrei am Computer untersuchen lassen.
Zähne sind nahezu unverwüstlich. Sie können Millionen von Jahren unzerstört überdauern. Damit werden sie zum wichtigen Forschungsobjekt für Paläontolog(inn)en, die anhand fossiler Funde dem Leben längst vergangener Zeiten und seinen Umweltbedingungen auf die Spur kommen wollen.Insbesondere die Zähne von Kleinsäugern, die im Känozoikum einen enormen Evolutions- und Verbreitungsschub hinlegten, sind in zahlreichen Sedimenten auf der ganzen Welt zu finden. Durch die große Zahl der Funde aus verschiedenen Zeiten und Regionen gibt Ihre Analyse Aufschluss über die Nahrungsgewohnheiten der Tiere und damit über ihr Nahrungsangebot und wie es sich im Laufe der Zeit verändert hat.
Umfangreiches Bild der Vergangenheit
Mit diesen Informationen kann die paläontologische Forschung ein umfangreiches Bild der Vergangenheit zeichnen: "Die fossilen Funde verraten, wo die Tiere zu welcher Zeit gelebt haben", erklärt Robert Marschallinger, Geowissenschaftler am ÖAW-Institut für Geographic Information Science in Salzburg. Für die Geowissenschaften besonders interessant sind dabei die Rückschlüsse, die sich daraus für den Lebensraum Erde ergeben. Sind Fossilien bestimmter Tiere von einer Sedimentschicht zur nächsten nicht mehr vorhanden, kann das ein Hinweis darauf sein, dass die Tiere ihren Lebensraum wechseln mussten. Das geschieht, wenn sie nicht mehr ausreichend Nahrung finden, also wenn sich die Vegetation ändert. Da diese wiederum von den Klimaverhältnissen abhängt, können aus dem Vorhanden- oder Nichtvorhandensein fossiler Funde, globale Ereignisse wie die Klimaentwicklung rekonstruiert werden.
Zerstörungsfrei forschen
Was Jahrmillionen nicht schaffen, gelingt einem Präparationsgerät in wenigen Sekunden. Um die wertvollen fossilen Funde bei ihrer Erforschung nicht zu zerstören, ist bei der Arbeit mit ihnen Sorgfalt oberstes Gebot. Weltweit arbeiten Forscherinnen und Forscher an der Entwicklung immer besserer Methoden, mit denen Fossilien zerstörungsfrei untersucht werden können.
Am Institut für Geographic Information Science wurde in Zusammenarbeit mit dem Naturhistorischen Museum Wien und dem High Energy Computer Tomography Lab der Universität Texas, USA, mit Hilfe geoinformatischer Methoden hierfür ein besonderes Tool entwickelt. Mit ihm lassen sich ausgehend von Mikrotomographie-Aufnahmen fossile Kleinsäuger-Zähne dreidimensional rekonstruieren und erforschen.
Beliebig dreh- und zerlegbares 3D-Modell
Die 3D-Modelle der Zähne können am Bildschirm beliebig gedreht und in ihre Einzelteile zerlegt werden. Auch die Materialunterschiede zwischen den einzelnen Zahnbestandteilen sind klar erkennbar. "Die Objekte können also völlig zerstörungsfrei genau untersucht werden", unterstreicht Marschallinger.
Durch die jüngsten Fortschritte in der Computertomographie sind heute Aufnahmen mit einer sehr hohen Auflösung möglich. Die Geoinformatik kommt an der Stelle ins Spiel, an der es darum geht aus der großen Menge an Daten jene zu extrahieren, die für eine wissenschaftliche Untersuchung des Objekts wesentlich sind. "Wir führen paläontologisches Expertenwissen und Know-how in Geoinformatik und Bildverarbeitung zusammen", veranschaulicht Marschallinger. Dabei kommen Methoden zum Einsatz die ursprünglich für die Satellitenbildfernerkundung entwickelt worden waren: "Dort ist man mit demselben Problem konfrontiert, aus einer Flut hochauflösender, teils verrauschter Satellitenbilddaten sinnvolle Bilder automatisiert abzuleiten."
Objekte am Bildschirm statt in realiter zu untersuchen, schützt aber nicht nur die fossilen Funde vor ihrer Zerstörung, sondern eröffnet auch neue Perspektiven der vernetzten Forschung. Denn 3D-Modelle von Zähnen sind zwar nicht so unverwüstlich wie ihre realen Vorbilder, dafür aber beliebig oft reproduzieren. Sie können also über das Internet mit der Forschungscommunity geteilt und die Forschungsergebnisse gemeinsam diskutiert werden.
Angeschnittenes Mikrotomographie-3D-Modell eines miozänen Kleinsäugerzahnes: Während die Zahnoberfläche aufgrund des hohen Röntgenkontrasts zur Umgebung nahezu perfekt abgebildet wird, können die für eine weitergehende paläontologische Bearbeitung wichtigen Komponenten Zahnschmelz und Zahnbein aufgrund der Grauwertkonvergenz (zum Beispiel innerhalb der roten Markierung) mit Standard-Bildverarbeitungsmethoden nur unzureichend getrennt werden.
Objektbasierte Bildanalyse - ursprünglich für die Auswertung komplexer, hochauflösender Satellitenbilder entwickelt - kann externes Wissen in die Bildklassifikation mit einbeziehen. Hier floss paläontologisches Wissen über die prinzipiellen räumlichen Nachbarschaftsbeziehungen der Zahnkomponenten in die automatische Klassifikation des Mikrotomographie-Bildstapels ein. Das Ergebnis: ein konsistentes Volumenmodell der Zahnkomponenten, das nun für weitere paläontologische Bearbeitung zur Verfügung steht - zum Beispiel interaktive visuelle Inspektion, Kau-/Erosionssimulation oder Fe-Analytik der Spannungsverteilung im Zahn. Farbcodierung des aufgeschnittenen Volumenmodells: Magenta - Zahnschmelz; Gelb - Zahnbein; Grün - Pulpahöhle.
Publikation:
R. Marschallinger, P. Hofmann, G. Daxner-Höck, R. Ketcham (2011) Solid modeling of fossil small mammal teeth. Computers & Geosciences, Elsevier (in press)
Kontakt:
Dr. Robert Marschallinger
Institut für Geographic Information Science (GIScience)
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Schillerstraße 30, 5020 Salzburg
T +43 662 8044-7513
robert.marschallinger@oeaw.ac.at
www.oeaw.ac.at/giscience
August 2011