ForamJ – инструмент для воспроизводимого полусамоавтоматического анализа наборов микрокомпьютерных томограмм фораминифер

Почему важны крошечные морские раковины

На дне океана бесчисленные микроскопические раковины, созданные одноклеточными организмами — фораминиферами, постепенно накапливаются в течение миллионов лет. Эти крошечные структуры сохраняют сведения о прошлых условиях морской воды и помогают учёным восстанавливать древний климат. Новый цифровой инструмент ForamJ делает процесс превращения трёхмерных рентгеновских сканов этих раковин в количественные данные быстрее и проще, что открывает возможности для более масштабных и детальных исследований климата и экологии на основе этих миниатюрных окаменелостей.

Цифровая лупа для ископаемых раковин

Микрокомпьютерная томография похожа на медицинский КТ, но адаптирована к миллиметровым объектам. Она позволяет исследователям увидеть и внешнюю поверхность, и внутренние камеры фораминифер, не разрушая их. Раньше учёным, желавшим измерить параметры, такие как объём раковины или толщина стенки, приходилось полагаться на медленную ручную разметку в дорогих коммерческих программах. Это ограничивало число образцов для анализа и затрудняло точное воспроизведение процедур в разных лабораториях, что важно при построении глобальных климатических записей по материалам из многих мест.

Бесплатный инструмент для обычных компьютеров

ForamJ — это бесплатный плагин, работающий внутри широко используемого программного обеспечения для изображений ImageJ и Fiji, которые уже поддерживают множество видов биологической микроскопии. Авторы разработали его с пятью практическими целями: он должен быть прост для новичков, работать на стандартных ноутбуках, опираться только на открытое ПО, выдавать согласованные числовые результаты и обрабатывать много сканов за один запуск. ForamJ проводит пользователя через серию шагов: от открытия градационных стеков изображений и установки масштаба до очистки от осадка, упакованного внутри камер, и отделения раковины от фона, чтобы можно было выполнять трёхмерные измерения.

От сырых сканов к полезным признакам раковины

Внутри плагин применяет цепочку операций обработки изображений к каждому скану. Он сглаживает шум, сохраняет только самый крупный объект, чтобы удалить посторонние зерна, и строит «заполненную» версию раковины, где закрыты полости, что позволяет оценить общий объём и площадь поверхности. Затем он разделяет наружную стенку и внутренние перегородки между камерами и с помощью встроенных инструментов вычисляет их толщину. ForamJ также изолирует пустое пространство каждой камеры и использует полусамоавтоматический метод для разделения этого пространства на отдельные камеры даже при частично растворённых перегородках. Для каждой камеры фиксируются объём, положение и яркость, сохраняются обработанные изображения и все использованные параметры, чтобы результаты можно было проверить или воспроизвести позже.

Тестирование инструмента на древних и современных раковинах

Чтобы продемонстрировать возможности ForamJ, исследователи применили его к двум наборам фораминифер. Сначала они изучили семь хорошо сохранившихся донных видов из осадков возрастом 56 миллионов лет, отобранных у побережья Нью‑Джерси. Сравнив результаты ForamJ с кропотливой ручной работой в коммерческой программе, они обнаружили, что объём раковины различался примерно на один процент и детализация сегментации была очень близка, тогда как время обработки одного образца сократилось до нескольких минут на обычном ноутбуке. Измерения выявили большие различия между индивидуумами в размере раковины, толщине стенок, пористости и в том, как объёмы камер увеличиваются от центра к периферии.

Изучение разнообразия конструкций плавающих раковин

Команда затем обратилась к открытой онлайн‑коллекции сканов семи видов, плавающих в верхних слоях океана. ForamJ быстро сгенерировал набор измерений для всех них, показав широкий диапазон стратегий в строительстве раковин. У одних видов были очень тонкие стенки и чрезвычайно пористые тесты с множеством камер, у других — более толстые, плотные раковины с меньшим, но более крупным числом камер. Кривые роста, отслеживающие, как каждая новая камера добавляет объём, показали различия между видами и даже между отдельными особями, что указывает на взаимосвязь между конструкцией раковины, экологией и жизненным циклом, которую теперь можно исследовать более системно.

Что это значит для климатических и океанических исследований

Упаковывая специфические для фораминифер измерения в простой общий рабочий процесс, ForamJ превращает сложные трёхмерные данные сканирования в стандартные числовые показатели, которые любая лаборатория может получить и сравнить. Поскольку он бесплатен, работает на обычных компьютерах и может обрабатывать много сканов одновременно, инструмент снижает финансовые и временные барьеры для исследований, требующих больших наборов образцов. На практике это означает, что учёные смогут лучше отслеживать, как форма раковины, толщина стенок и внутренняя структура меняются между видами, местами и во времени, улучшая наши возможности чтения древних океанических условий по этим крошечным, но информативным ископаемым.

Цитирование: 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

Ключевые слова: фораминиферы, микро КТ, анализ изображений, палеоокеанография, программное обеспечение с открытым исходным кодом