Do nitra kamenů

Na konci ledna loňského roku se paleontologové z Národního muzea účastnili vědeckého výzkumu na pracovištích Evropského synchrotronu ve francouzském Grenoblu (ESRF). Díky projektu podaného Dr. Vaškaninovou z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy měli jedinečnou možnost pracovat s obrovským rentgenovým výpočetním tomografem. Velice silným rentgenovým zářením potřebovali prosvítit malé, ale i velké bloky hornin a pořídit vysoce kvalitní obrázky zkamenělin ukrytých uvnitř. Na odhalení dosud neprobádaných tajemství rané evoluce živočichů totiž běžné přístroje už nestačily.

Co to je synchrotron?
Synchrotron je specializovaný urychlovač částic, v tomto případě urychlovač elektronů, které svým pohybem a změnami dráhy vytvářejí synchrotronové záření. Jeho součástí je i vysokoenergetický a hustý proud fotonů, jehož vlnové délky odpovídají rentgenovému záření. Ty jsou pak velmi silným zdrojem záření pro přidružený rentgenový tomograf. Většina z nás zná lékařské tomografy, někdo se mohl setkat i s většími či menšími vědeckými tomografy. Ale tomograf při evropském synchrotronu v Grenoblu nabízí mnohem vyšší výkony a kvalitu.

Jak synchrotron vypadá?
Jak toto monstrózní zařízení funguje? Na začátku je zdroj elektronů, na který navazuje lineární urychlovač. Ten si lze představit jako rouru, kolem které jsou silné elektromagnety. Jejich úkolem je urychlit elektrony na rozumnou rychlost, než vletí do menšího prstencového urychlovače. Ten je také dutý a kruhového tvaru a kolem něj jsou rovněž elektromagnety. Elektrony v něm obrovskou rychlostí obíhají kolem dokola a postupně se urychlují, až dosáhnou bezmála rychlosti světla.  Poté jsou vpuštěny do zásobního prstence, i ten je obklopen elektromagnety. Jeho úkolem je střádat pohybující se elektrony a udržovat jejich rychlost. Kolem tohoto prstence s impozantním obvodem 844 metrů je zhruba 50 výstupů do specializovaných laboratoří, které pro různé experimenty využívají obíhající elektrony, resp. záření z nich produkované. Nejvíce zastoupená je spektroskopie, která studuje prvkovou, fázovou a krystalickou povahu hmoty. Několik laboratoří se ale zabývá i rentgenovou výpočetní tomografií.

Jak jdou dohromady elektrony a rentgenové záření? Zde se již pohybujeme na poli kvantové fyziky a procesy se vymykají našim běžným zkušenostem. Během změny rychlosti nebo zakřivení dráhy pohybu elektronů dochází k produkci fotonů o různých vlnových délkách. Takovýto velký synchrotron dokáže produkovat silný a hustý svazek fotonů. Když ale většinu nepotřebných vlnových délek odstíníme vhodným filtrem a necháme si jenom ty se stejnou a vhodnou vlnovou délkou z oblasti rentgenového záření, tak jich stále zůstane ještě dost, abychom vzorek pohodlně „prosvítili“.

Co čeští paleontologové zkoumali na synchrotronu?
Část odborníků z pracovní skupiny využila synchrotron již poněkolikáté. Poprvé v roce 2016, kdy se na tomto špičkovém zařízení zkoumaly zkameněliny starobylých rybovitých obratlovců ze sbírek Národního muzea. Tehdy to bylo vůbec poprvé, kdy se ve významném francouzském vědeckém centru zkoumaly české fosilie. Při studiu byly na kostrách prvohorních živočichů schovaných uvnitř kamenných bloků objeveny zuby. Jednalo se o velké překvapení, protože u těchto starobylých čelistnatých obratlovců zuby nebyly známy a ani se jejich existence nepředpokládala. Jejich nálezy přinesly velmi konkrétní představu o tom, jak vypadal tvar i struktura zubů v raných fázích své evoluce. Výsledky, které vyvrátily některé zaběhlé stereotypy, byly publikovány v prestižním časopisu Science (Vaškaninová et al., 2020).

V lednu letošního roku vědci přivezli do Francie různorodý studijní materiál zahrnující bezobratlé mořské živočichy z prvohorního období ordoviku, ale i druhohor a také několik dalších fosilií prvohorních čelistnatých obratlovců. Vzorky pochází ze sbírek Národního muzea, Západočeského muzea, Přírodovědecké fakulty UK a dalších institucí. Nejvíce zastoupené však byly zkameněliny z tzv. rokycanských kuliček. Jsou to druhotně prokřemenělé hlízovité útvary, které se v usazeném mořském bahně vytvořily kolem organických zbytků. Uzavřely do sebe schránky, krunýře, a dokonce i měkké tkáně jako do jakýchsi malých kamenných sarkofágů. Zkameněliny uvnitř těchto kuliček jsou často velmi dobře zachovány a dovolí tak zkoumat nejenom jejich detailní anatomii, ale také to, čím se pravěký živočich živil, jak vypadala jeho trávicí trubice nebo s jakými zraněními, nemocemi či parazity se během svého života potýkal.

Již na prvních digitálních řezech z náhledů při začátku snímání na synchrotronu bylo zřejmé, že mnohé vzorky obsahují další nové a velice zajímavé informace. Jejich vědecké zhodnocení však bude trvat několik následujících let. Paleontologové nasnímali přes 250TB dat, jejichž další zpracování bude náročné nejen na výkon počítačů, ale i na čas samotných vědců. Výsledné virtuální 3D modely živočichů ukrytých v kameni budou muset nejprve zrekonstruovat a až potom na nich dál vědecky bádat.

Informace z nitra kamenů, které byly získány během čtyř dnů práce na synchrotronu, v budoucích letech nepochybně poskytnou zajímavé vědecké výsledky. Dozvíme se více o životě obyvatel moře, které před stovkami milióny lety zalévalo i naše území.

Autoři: Jana Bruthansová
            Boris Ekrt