Você pode ter aprendido quando criança que a cada ano uma árvore cresce um novo anel em torno de seu núcleo, e você pode envelhecer um toco de árvore contando os anéis. Há muito mais dados em um anel de árvore do que isso. O tamanho e as propriedades desse anel podem fornecer dados sobre o clima naquele ano. Efetivamente, as árvores podem ser registradoras climáticas, mantendo um registro literal de dados. Uma nova técnica baseada em tomografia computadorizada avançada de raios X desenvolvido pelo professor Jan Van den Bulcke e colegas poderia fornecer melhor acesso a esses dados do que nunca.
TC, neste caso, significa tomografia computadorizada. Os cientistas escaneiam uma amostra em diferentes ângulos e, em seguida, combinam os resultados para criar imagens 3D, que também podem ser visualizadas como cortes transversais da amostra. É como se alguém pudesse "voar" através do volume digital. Van den Bulcke e seus colegas criaram um sistema de imagem melhor, produzindo um sistema de escaneamento que funciona em múltiplas escalas e com uma resolução maior do que antes.
Pode parecer que escalas múltiplas é uma abordagem peculiar. Por que não digitalizar na resolução mais alta? Como explicou Van den Bulcke, esta não é uma solução prática. “Obviamente, digitalizar tudo na melhor resolução é o que todos desejam. No entanto, o tempo para digitalizar um objeto inteiro e os volumes de dados finais aumentam quando você aumenta a resolução. Além disso, a resolução também é limitada pelo tamanho do objeto: não é possível ter um objeto grande, digamos 10 cm de diâmetro, digitalizado em resolução submicrométrica. Digitalizar tudo na melhor resolução também pode ser ineficiente. É benéfico digitalizar em uma resolução mais baixa, por exemplo, para análise de anéis de árvores e, em seguida, ampliar detalhes anatômicos interessantes em seções de núcleos, como anos específicos, com base nessa primeira análise”.
A técnica foi aperfeiçoada em uma variedade de espécies. “Pegamos uma variedade de espécies comumente estudadas em paleoclimatologia, como o pinheiro escocês (Pinus sylvestris), com a Densidade Máxima de Latewood (MXD) como o proxy mais sensível para reconstruções climáticas”, disse Van den Bulcke. “Também examinamos espécies em que a anatomia pode servir como proxy para o clima ou revelar informações ecológicas sobre a árvore, ou espécies em que os anéis das árvores estão sendo estudados no manejo florestal, como espécies de carvalho (Quercus sp.), faia comum (Fagus sylvatica) e bétula branca europeia (Betula pendula). A ideia principal era mostrar que qualquer tipo de espécie lenhosa pode ser manuseada e relacionar com espécies conhecidas e comumente estudadas.”
Ser capaz de observar qualquer espécie com anéis é vital, pois nem todas as árvores produzem anéis da mesma maneira. A equipe de Van den Bulcke escaneou amostras difíceis para testar seu sistema. “Originalmente, aplicamos TC de raios-X em angiospermas tropicais da Bacia do Congo, que têm uma estrutura de anéis de árvore desafiadora devido à menor sazonalidade. Qualquer amostra é possível, desde os trópicos até regiões onde árvores ou arbustos crescem em seus limites mais externos: Rododendro amostras do planalto tibetano, por exemplo, também podem ser escaneadas. Claro que, se os limites dos anéis de árvores (ou seja, a zona na floresta onde termina o anel daquele ano e começa um novo anel do próximo ano) podem ser discernidos, depende da espécie, mais especificamente do tipo de característica anatômica que está determinando esse limite e qual resolução é necessária para visualizar esse limite. Além disso, a série temporal real dependerá da qualidade da datação cruzada, e isso depende da região/local onde as amostras foram escaneadas.”
Lidar com datas cruzadas é um problema no qual a equipe já está trabalhando. Um padrão de uma série de anos pode ser como um código de barras no anel da árvore. Encontre uma correspondência em códigos de barras para duas amostras e você pode juntá-las para criar um registro climático mais longo. No entanto, os dados de largura são apenas parte da amostra. O A tomografia computadorizada de raios-X também permite medições de densidade a fim de construir correspondências mais seguras entre as amostras.
Van den Bulcke está ansioso pela nova pesquisa que a tomografia computadorizada de raios-X multiescala pode tornar possível. “Atualmente, os dados MXD são bastante tediosos para gerar. Uma grande parte das atuais reconstruções de temperatura baseadas em MXD terminam por volta das décadas de 1980 e 1990 e ainda não estão suficientemente atualizadas. Seria muito interessante revisitar algumas das árvores que foram amostradas naquela época e atualizá-las com os últimos 20-30 anos, uma época com mudanças climáticas significativas. Além disso, embora haja uma densa rede de cronologias de largura de anéis de árvores no Banco de Dados Internacional de Anéis de Árvores, número de cronologias MXD é menor, em parte devido ao número limitado de instalações clássicas de densitometria e às etapas de preparação da amostra. Especialmente, o Hemisfério Sul tem muito poucas séries MXD até o momento. A TC de raios-X permite indicar limites de anéis de árvores e derivar séries MXD de maneira muito rápida.”
“Como nossa configuração atual permite medições anatômicas em subseções, algoritmos de aprendizado de máquina que são usados em seções lixadas ou micro podem ajudar a indicar frações de tecido de forma semiautomática em imagens 3D, reduzindo assim também o tempo gasto no laboratório e aumentando o tamanho da amostra. Seria muito complementar à abordagem convencional, uma vez que os volumes de TC de raios X permitem explorar a natureza 3D do volume virtual, que não foi muito explorada até agora. No entanto, para ter um fluxo de trabalho eficiente da amostra aos dados, ainda há trabalho a ser feito.”
Outra vantagem desse método é que os dados recebidos dependem de como a amostra foi preparada. “Nosso objetivo original era evitar dificuldades, como preparar amostras para digitalização e aumentar o tamanho da amostra.” disse Van den Bulcke. “Tradicionalmente, os núcleos para análise de anéis de árvores são montados em um suporte. Núcleos de pequeno diâmetro são, portanto, difíceis de usar em uma configuração de densitometria clássica porque precisam ser serrados com precisão em uma seção fina, perpendicular ao grão, o que faz com que a amostra seja um pouco destruída depois disso.”
Como você pode evitar que as amostras sejam danificadas, muitas outras amostras se tornam viáveis para estudo, disse Van den Bulcke. “Ao contrário da densitometria tradicional, um scanner de tomografia computadorizada de raios X pode digitalizar amostras montadas de coleções, portanto, seria muito adequado para digitalizar amostras antigas. Claro, ainda é melhor ter amostras que não foram montadas.”
Um dos comentários interessantes no artigo é que haveria vantagens para a comunidade de botânica como um todo, se houvesse uma instalação de digitalização centralizada. “Com um sistema otimizado, um grande número de núcleos pode ser digitalizado anualmente”, disse Van den Bulcke. “Embora no futuro possam existir vários sistemas de tomografia computadorizada de raios X para esse fim, podemos imaginar que ainda grupos gostariam de contar com uma instalação existente, em vez de adquirir uma máquina de tomografia computadorizada de raios X. Deve-se notar que, se em um futuro próximo esse tipo de varredura se tornar um negócio rotineiro, é claro que uma única máquina de tomografia computadorizada de raios-X não poderia atender a todas as solicitações.” Van den Bulcke também acredita que ter algumas instalações ajudaria na reprodutibilidade na digitalização, por ter rotinas contínuas para digitalizações. Também permitiria acesso confiável a conhecimentos essenciais. “A estreita colaboração com uma equipe de físicos de raios-X permite o controle adequado de todas as etapas da cadeia de ferramentas”, acrescentou.
Van den Bulcke vê muitas oportunidades para o uso da tomografia computadorizada de raios-X nos estudos atuais. “A tomografia computadorizada de raios-X tem sido usada em muitos domínios de pesquisa diferentes para análise 3D. 4D, escaneamento resolvido no tempo, também está muito em foco hoje em dia, por exemplo na pesquisa de cavitação. Basicamente, qualquer pesquisador interessado na estrutura hierárquica 3D de um material que necessite de imagens não destrutivas, poderia obter algumas informações valiosas desta pesquisa, especialmente quando é baseada em plantas. Em alguns casos, por exemplo, para plantas não lenhosas, como Arabidopsis o material biológico em estudo deve ser pré-tratado adequadamente.”
Embora haja muitas novas descobertas em potencial a serem feitas, ainda há muitos dados para refinar, disse Van den Bulcke. “Entre outros, há a necessidade de atualizar as cronologias atuais do MXD, tanto espacial quanto temporalmente. Isso requer novas campanhas de campo. No entanto, também as coleções atuais em todo o mundo que possuem amostras podem ser reanalisadas para MXD de maneira não destrutiva. Além disso, as oportunidades de explorar as imagens de tomografia computadorizada de raios-X em nível anatômico oferecem novas perspectivas na anatomia da madeira, para estudos ecológicos em mortalidade de árvores, cavitação, etc.”
“Embora a técnica exista há várias décadas, as máquinas de tomografia computadorizada de raios X agora são capazes de contribuir para a era dos grandes dados com uma resolução e flexibilidade que só são viáveis desde a última década. Ainda assim, o trabalho precisa ser feito para otimizar as cadeias de ferramentas adaptadas à pesquisa anatômica de anéis de árvores/madeira e o manuseio de dados especialmente eficiente é um desafio. Considerando materiais não arbóreos, também existem proxies marinhos como conchas do mar que podem ser tratados da mesma forma que apresentamos neste artigo.”
