CT-Wissenschaftler haben Tausende von naturhistorischen Proben gescannt, auf die Sie kostenlos zugreifen können

Naturkundemuseen sind mit der Fertigstellung von in eine neue Phase der wissenschaftlichen Entdeckung und Zugänglichkeit eingetreten openVertebrate (oVert), ein fünfjähriges Gemeinschaftsprojekt von 18 Institutionen mit dem Ziel, 3D-Rekonstruktionen von Wirbeltierproben zu erstellen und sie online frei verfügbar zu machen.

Forscher veröffentlichten a Zusammenfassung des Projekts im Tagebuch Biowissenschaften Dabei begutachten sie die bisher gescannten Proben und geben einen Einblick, wie die Daten genutzt werden könnten, um neue Fragen zu stellen und die Entwicklung innovativer Technologien voranzutreiben.

„Als die Menschen diese Exemplare zum ersten Mal sammelten, hatten sie keine Ahnung, was die Zukunft für sie bereithalten würde“, sagte Edward Stanley, Co-Hauptforscher des oVert-Projekts und assoziierter Wissenschaftler am Florida Museum of Natural History.

Naturkundemuseen begannen im 16. Jahrhundert als Kuriositätenkabinette, in denen einige wohlhabende Privatpersonen seltene und exotische Exemplare sammelten, die sie größtenteils für sich behielten. Seitdem sind Museen zu einer Anlaufstelle für die Öffentlichkeit geworden, mit Ausstellungen, die die biologische Vielfalt für alle zeigen, die sich dafür interessieren.

Die meisten Museumssammlungen bleiben jedoch hinter verschlossenen Türen und sind nur Wissenschaftlern zugänglich, die entweder reisen müssen, um sie zu besichtigen, oder um die Leihgabe einer kleinen Anzahl von Exemplaren per Post bitten müssen. Das Forschungsteam hinter oVert möchte das ändern.

„Wenn Sie verlangen, dass jemand in ein Flugzeug steigt und zu Ihnen reist, um mitzuarbeiten, ist das in vielerlei Hinsicht unerschwinglich“, sagte David Blackburn, leitender Hauptforscher des oVert-Projekts und Kurator für Herpetologie am Florida Museum. „Jetzt haben wir Wissenschaftler, Lehrer, Studenten und Künstler auf der ganzen Welt, die diese Daten aus der Ferne nutzen.“

Zwischen 2017 und 2023 führten die oVert-Projektmitglieder CT-Scans von mehr als 13.000 Exemplaren durch, darunter repräsentative Arten im gesamten Wirbeltierstammbaum. Dazu gehören mehr als die Hälfte aller Gattungen aller Amphibien, Reptilien, Fische und Säugetiere.

CT-Scanner verwenden hochenergetische Röntgenstrahlen, um an der Außenseite eines Organismus vorbeizuschauen und die dichte Knochenstruktur darunter zu betrachten. Daher machen Skelette den Großteil der oVert-Rekonstruktionen aus. Eine kleine Anzahl von Proben wurde auch mit einer vorübergehenden kontrastverstärkenden Lösung gefärbt, die es den Forschern ermöglichte, Weichteile wie Haut, Muskeln und andere Organe sichtbar zu machen.

Die Modelle ermöglichen einen detaillierten Einblick in die inneren Teile einer Probe, die bisher nur durch destruktive Präparation und Gewebeentnahme beobachtet werden konnten.

„Museen befinden sich ständig in einem Balanceakt“, sagte Blackburn. „Sie möchten Proben schützen, aber Sie möchten auch, dass Menschen sie nutzen. oVert ist eine Möglichkeit, den Verschleiß von Proben zu reduzieren und gleichzeitig den Zugang zu verbessern, und es ist der nächste logische Schritt in der Mission von Museumssammlungen.“

Ziel des Projekts war es, zunächst nur in Ethylalkohol konservierte Exemplare zu scannen, die den Großteil der Fisch-, Reptilien- und Amphibiensammlungen ausmachen. Es ist auch unwahrscheinlich, dass Proben, die zu groß für die Flüssigkeitskonservierung sind, in einen CT-Scanner passen, aber die Forscher zögerten, diese wegzulassen.

Ein Partnerstipendium des Idaho Museum of Natural History wurde genutzt, um ein digitales Modell eines Buckelwals zu erstellen. Das gesamte Präparat war zu groß, um es mit ausreichender Auflösung zu scannen. Deshalb zerlegten die Forscher das Skelett sorgfältig, erstellten 3D-Modelle jedes einzelnen Knochens und setzten dann die physischen Teile wieder zusammen digitales Exemplar.

Sogar mittelgroße Exemplare erforderten manchmal ein wenig Einfallsreichtum, wie es bei einer Reihe ikonischer Schildkröten an der California Academy of Sciences der Fall war.

„Sie haben die größte Galapagos-Schildkrötensammlung der Welt. Das sind keine Dinge, die man in Kisten packt und ausleiht“, sagte Blackburn.

Mit Mitteln aus einem anderen Partnerstipendium mussten die kuratorischen Mitarbeiter einen Weg finden, dies zu erreichen Fotografieren Sie jede Schildkröte in einer 360-Grad-Drehung. Das Fotografieren ihrer Unterseite war problematisch, da ihre gebogenen Schalen es unmöglich machten, sie aufrecht zu halten. Nach ein paar Versuchen und Irrtümern entschieden sie sich dafür, die Proben auf aufblasbaren Schwimmschläuchen zu platzieren.

Wissenschaftler haben die Daten des Projekts bereits genutzt, um erstaunliche Einblicke in die Natur zu gewinnen.

Im Jahr 2023 führte Edward Stanley routinemäßige CT-Scans von durch stachelige Mäuse und war überrascht, dass ihre Schwänze mit einer inneren Schicht aus Knochenplatten, sogenannten Osteodermen, bedeckt waren. Vor dieser Entdeckung galten Gürteltiere als die einzigen lebenden Säugetiere mit diesen Strukturen.

„Beim Scannen springen einem alle möglichen Dinge ins Auge“, sagte Stanley. „Ich untersuche Osteoderme, und durch Kismet oder Schicksal war ich zufällig derjenige, der diese bestimmten Exemplare an diesem bestimmten Tag scannte, und bemerkte auf dem Röntgenbild etwas Seltsames an ihren Schwänzen. Das passiert ständig. Wir haben alle Arten gefunden.“ von seltsamen, unerwarteten Dingen.

CT-Scans von oVert wurden auch verwendet, um festzustellen, was eine Randfelsen-Kronenschlange getötet hat, die als die seltenste Schlangenart in Nordamerika gilt. Eine andere Studie zeigte, dass eine Gruppe von Fröschen, sogenannte Kürbiskröten, so klein geworden waren, dass die mit Flüssigkeit gefüllten Kanäle in ihren Ohren, die für das Gleichgewicht sorgen, nicht mehr richtig funktionierten, was dazu führte, dass sie beim Springen abstürzten.

Eine umfangreiche Studie mit mehr als 500 oVert-Exemplaren ergab, dass Frösche im Laufe ihrer Evolutionsgeschichte mehr als 20 Mal Zähne verloren und wiederbekommen haben. Und eine weitere Studie kam zu dem Schluss, dass Spinosaurus, ein riesiger Dinosaurier, der größer als Tyrannosaurus Rex war und vermutlich im Wasser lebte, tatsächlich ein schlechter Schwimmer gewesen wäre und daher wahrscheinlich an Land geblieben wäre.

Und die Liste geht weiter, voller Erkenntnisse und Ideen, die vor Beginn des Projekts unmöglich oder unpraktisch gewesen wären. „Da wir nun schon so lange daran arbeiten, verfügen wir über ein breites Gerüst, das es uns ermöglicht, einen umfassenderen Blick auf evolutionäre Fragen zu werfen“, sagte Stanley.

Der Wert von oVert geht auch über die wissenschaftliche Forschung hinaus. Künstler haben die 3D-Modelle verwendet, um realistische Tiernachbildungen zu erstellen, Fotos von oVert-Exemplaren wurden als Museumsausstellungen ausgestellt und Exemplare wurden in Virtual-Reality-Headsets integriert, die Benutzern die Möglichkeit geben, mit ihnen zu interagieren und sie zu manipulieren.

oVert-Modelle werden auch von Pädagogen genutzt. Von Beginn des Projekts an wollten Blackburn und seine Kollegen einen starken Schwerpunkt auf die K-12-Öffentlichkeit legen. Sie organisierten Workshops, in denen Lehrer lernen konnten, wie sie die Daten in ihren Klassenzimmern nutzen können.

„Es hat meine Evolutionseinheit grundlegend verändert“, sagte Jennifer Broo, eine Highschool-Lehrerin in Cincinnati. „Ich unterrichte Junioren und Senioren, und ich liebe sie absolut, aber sie können ein hartes Publikum sein. Sie wissen, wenn etwas falsch ist, was sie weniger engagiert. Mit den oVert-Modellen können Sie Konzepte auf einem angemessenen Niveau vermitteln und gleichzeitig beibehalten.“ die Authentizität der Wissenschaft. Mein Unterricht ist so viel besser geworden, weil ich die Möglichkeit hatte, mit realen Daten zu arbeiten und meine Schüler mit ihnen vertraut zu machen.“

Die Einsatzmöglichkeiten von oVert sind nahezu unbegrenzt. Die größte Herausforderung wird darin bestehen, Tools zu entwickeln, die ausgereift genug sind, um die Daten zu analysieren. Noch nie waren so viele 3D-Naturgeschichtsexemplare öffentlich und sofort zugänglich, und es bedarf weiterer Entwicklungen im maschinellen Lernen und im Supercomputing, um ihr volles Potenzial auszuschöpfen.

„Die Generierung der Daten ist erst der Anfang“, sagte Jaimi Gray, Postdoktorandin am Florida Museum, die daran arbeitet NoCTURN (Non-Clinical Tomography Users Research Network), ein Projekt, das gegen Ende von oVert entwickelt wurde, um CT-Scans bestmöglich zu nutzen. „Das Ziel von oVert bestand immer darin, die Erforschung der Vielfalt der Wirbeltiere zu erleichtern. Wir werden weiter erforschen, aber das Ziel von NoCTURN besteht darin, den Menschen die Werkzeuge an die Hand zu geben, mit denen sie die Daten nutzen können, sei es für Forschung, Bildung oder Industrie.“