ForamJ – 一款用于有孔虫微型计算机断层扫描数据集可复现、半自动分析的工具

为何这些微小的海洋壳体重要

在海底，无数由单细胞生物有孔虫所构建的显微壳体在数百万年间缓慢堆积。这些微小结构记录了过去海水的状况，帮助科学家重建古气候。一款名为 ForamJ 的新数字工具让把这些壳体的三维 X 射线扫描转化为可靠数据变得更快、更容易，从而使基于这些微小化石进行更大规模、更精细的气候与生态学研究成为可能。

化石壳体的数字放大镜

微型计算机断层扫描类似于为毫米级目标缩小比例的医疗 CT 扫描。它使研究人员能够在不破坏样品的情况下同时看到有孔虫的外表面和内部腔室。直到现在，想要测量诸如壳体体积或壳壁厚度等特征的科学家不得不依赖耗时的手工描绘，通常在昂贵的商业软件中完成。这限制了可分析的标本数量，也使不同实验室难以执行完全相同的步骤，而在从多个地点构建全球气候记录时保持一致性非常重要。

为日常电脑打造的免费工具

ForamJ 是一个免费插件，在广泛使用的 ImageJ 和 Fiji 图像软件中运行，这些软件已经支持多种生物成像类型。作者以五个实用目标设计该插件：对初学者易用、能在标准笔记本上运行、只依赖开源软件、生成一致的数值输出，并能在一次运行中处理大量扫描。ForamJ 引导用户完成一系列步骤，从打开灰度图像堆栈到设置比例、清除填塞在腔室内的沉积物，以及将壳体与背景分离以便进行三维测量。

从原始扫描到有意义的壳体特征

在内部，插件对每个扫描应用一系列图像操作。它平滑噪声、只保留最大的对象以去除杂散颗粒，并构建壳体的“填充”版本，将开放空间闭合以估算总体积和表面积。随后它将外壳壁与腔室间的内部墙体分离，并使用内置工具计算这些部分的厚度。ForamJ 还会分离每个腔室的空腔，并采用半自动方法将该空间划分为独立腔室，即便某些墙体部分溶蚀。对于每个腔室，它记录体积、位置和亮度，并保存已处理的图像及所有使用的设置，以便日后检查或重复结果。

在古今壳体上的工具测试

为展示 ForamJ 的能力，研究人员将其应用到两组不同的有孔虫样本。首先，他们检查了来自新泽西钻孔、距今约 5600 万年的沉积物中保存良好的七个底栖物种。将 ForamJ 的输出与在商业软件中耗时手工处理的结果比较，他们发现壳体体积的差异约为百分之一左右，详尽分割的匹配非常接近，而普通笔记本上每个标本的处理时间降至几分钟。测量结果显示个体之间在壳体尺寸、壳壁厚度、多孔性以及腔室体积从中心向外增长的方式上存在较大差异。

探究漂浮壳体设计的多样性

团队随后转向一个包含七个上层海洋漂浮种的开放在线扫描集合。ForamJ 快速生成了跨这些物种的一组测量结果，显示出广泛的壳体策略差异。有些物种壳壁非常薄、测试极为多孔且腔室众多，而另一些则构建了更厚、更致密的壳体，腔室较少但更大。追踪每个新腔室如何增加体积的生长曲线在物种之间甚至个体之间表现出不同的模式，指向壳体设计、生态与生命周期之间的联系，这些联系现在可以更系统地进行探索。

这对气候与海洋研究的意义

通过将有孔虫特定的测量打包进一个简单、共享的工作流程，ForamJ 将复杂的三维扫描数据转化为任何实验室都能生成并比较的标准数值。由于它是免费的、能在非专业计算机上运行并能同时处理多次扫描，它降低了依赖大样本集的研究的时间和成本门槛。在实际层面上，这意味着科学家可以更好地跟踪壳体形态、壳壁厚度和内部结构在物种、地点和时间上的变化，从而改进我们通过这些微小但信息丰富的化石解读过去海洋状况的能力。

引用: 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

关键词: 有孔虫, 微型 CT, 图像分析, 古海洋学, 开源软件