ForamJ – narzędzie do odtwarzalnej, półautomatycznej analizy mikrotomograficznych zestawów danych foraminifer

Dlaczego małe morskie skorupki mają znaczenie

Na dnie oceanu niezliczone mikroskopijne skorupki wytwarzane przez jednokomórkowe organizmy zwane foraminiferami przez miliony lat narastają warstwami. Te drobne struktury zapisują warunki w przeszłej wodzie morskiej, pomagając naukowcom odtwarzać dawne klimaty. Nowe narzędzie cyfrowe o nazwie ForamJ przyspiesza i ułatwia przekształcanie trójwymiarowych skanów rentgenowskich tych skorupek w twarde dane liczbowe, otwierając drogę do większych i bardziej szczegółowych badań klimatu i ekologii opartych na tych mikroskopijnych skamieniałościach.

Cyfrowa lupa do skorupek kopalnych

Mikrotomografia komputerowa jest jak skan CT w medycynie, skalowany do obiektów o rozmiarze milimetrów. Pozwala badaczom zobaczyć zarówno zewnętrzną powierzchnię, jak i wewnętrzne komory foraminifer bez ich rozbijania. Dotychczas naukowcy chcący mierzyć cechy takie jak objętość skorupki czy grubość ścianek musieli polegać na powolnym, ręcznym obrysowywaniu w kosztownych programach komercyjnych. Ograniczało to liczbę analizowanych okazów i utrudniało, by różne laboratoria wykonywały dokładnie te same kroki — co jest ważne przy budowaniu globalnych zapisów klimatycznych z wielu miejsc.

Darmowe narzędzie zaprojektowane na zwykłe komputery

ForamJ to darmowy wtyczka działająca w popularnym oprogramowaniu do obrazowania ImageJ i Fiji, które już obsługują wiele rodzajów obrazowania biologicznego. Autorzy zaprojektowali ją z pięcioma praktycznymi celami: ma być łatwa dla początkujących, działać na standardowych laptopach, opierać się wyłącznie na otwartym oprogramowaniu, generować spójne wyniki liczbowe i obsługiwać wiele skanów w jednym przebiegu. ForamJ prowadzi użytkownika przez serię kroków — od otwierania stosów obrazów w skali szarości, przez ustawienie skali, usuwanie osadów wypełniających komory, aż po oddzielenie skorupki od tła, aby można było wykonać pomiary w trzech wymiarach.

Od surowego skanu do istotnych cech skorupki

W środku wtyczka stosuje łańcuch operacji obrazowych do każdego skanu. Wygładza szumy, zachowuje tylko największy obiekt, aby usunąć przypadkowe ziarna, i tworzy „wypełnioną” wersję skorupki, w której zamknięte są puste przestrzenie, co pozwala oszacować całkowitą objętość i powierzchnię. Następnie oddziela zewnętrzną ścianę od przegród wewnętrznych między komorami i, korzystając z wbudowanych narzędzi, oblicza grubość tych części. ForamJ izoluje też pustą przestrzeń każdej komory i stosuje półautomatyczną metodę podziału tej przestrzeni na oddzielne komory, nawet jeśli niektóre ścianki są częściowo rozpuszczone. Dla każdej komory rejestruje objętość, położenie i jasność oraz zapisuje przetworzone obrazy i wszystkie użyte ustawienia, tak aby wyniki można było sprawdzić lub powtórzyć później.

Testowanie narzędzia na skorupkach starożytnych i współczesnych

Aby pokazać możliwości ForamJ, badacze zastosowali go do dwóch różnych zestawów foraminifer. Najpierw przebadali siedem dobrze zachowanych gatunków dennych z osadów sprzed 56 milionów lat, wypreparowanych u wybrzeży New Jersey. Porównując wyniki ForamJ z czasochłonną manualną pracą w programie komercyjnym, stwierdzili, że objętość skorupki różniła się o około jeden procent, a zgodność szczegółowej segmentacji była bardzo wysoka, podczas gdy czas przetwarzania na okaz skrócił się do kilku minut na zwykłym laptopie. Pomiary ujawniły duże różnice między osobnikami w rozmiarze skorupki, grubości ścianek, porowatości i sposobie wzrostu objętości komór od środka na zewnątrz.

Badanie różnorodności projektów pływających skorupek

Zespół następnie sięgnął do otwartej kolekcji skanów online siedmiu gatunków pływających w górnych warstwach oceanu. ForamJ szybko wygenerował zestaw pomiarów dla wszystkich nich, pokazując szerokie spektrum strategii konstrukcyjnych skorupek. Niektóre gatunki miały bardzo cienkie ścianki i niezwykle porowate testy z wieloma komorami, podczas gdy inne budowały grubsze, gęstsze skorupki z mniejszą, lecz większą liczebnie objętościowo liczbą komór. Krzywe wzrostu pokazujące, jak każda nowa komora dodaje objętości, prezentowały wzorce różniące się między gatunkami, a nawet między osobnikami, co wskazuje na powiązania między budową skorupki, ekologią i cyklem życia, które teraz można badać bardziej systematycznie.

Co to oznacza dla badań klimatu i oceanów

Dzięki zapakowaniu pomiarów specyficznych dla foraminifer w prosty, wspólny przepływ pracy, ForamJ zamienia skomplikowane dane z trójwymiarowych skanów w standardowe liczby, które każde laboratorium może wygenerować i porównać. Ponieważ jest darmowy, działa na komputerach niespecjalistycznych i potrafi przetwarzać wiele skanów jednocześnie, obniża koszty i czas potrzebny na badania wymagające dużych prób. W praktyce oznacza to, że naukowcy mogą lepiej śledzić, jak kształt skorupki, grubość ścianek i wewnętrzna struktura zmieniają się między gatunkami, lokalizacjami i w czasie, usprawniając naszą umiejętność odczytywania dawnych warunków oceanicznych z tych maleńkich, ale bogatych w informacje skamieniałości.

Cytowanie: Trend, J., Borges, F.A. & Babila, T.L. ForamJ – A tool for the reproducible, semi-automated analysis of foraminifera micro computed tomography datasets. Sci Rep 16, 14818 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43276-3

Słowa kluczowe: foraminifera, mikro CT, analiza obrazów, paleoceanografia, oprogramowanie open source