Pushing the limits of neutron tomography in palaeontology: Three-dimensional modelling of in situ resin within fossil plants

Chris Mays, Joseph J. Bevitt, and Jeffrey Stilwell

Plain Language Abstract

A high-resolution, three-dimensional model of a fossil seed cone from the Chatham Islands revealed the presence of internal fossil resin (amber). Its distribution of resin bodies supports the affinity with the modern conifer genus Sequoia (Family Cupressaceae). The model was constructed employing neutron tomography (a technique analogous to X-ray computed tomography [CT], but with neutrons instead of X-rays), and the high neutron attenuation contrasts between the resin, the enclosing organically preserved (coalified) plant remains, and sediment matrix allowed for a clear-cut segmentation of these different components. The results demonstrate the feasibility of detecting different organic compounds within a given fossil specimen using neutrons. With emerging advances in this technology, a wider variety of organic compounds and anatomical features within a given specimen should be discernible; this will have far-reaching implications for the forms and functions of fossils, as well as their post-burial histories and conservation.

Resumen en Español

in progress

Traducción: Enrique Peñalver (Sociedad Española de Paleontología) or Diana Elizabeth Fernández

Résumé en Français

in progress

Translator: Antoine Souron

Deutsche Zusammenfassung

Ausloten der Grenzen von Neutronen-Tomographie in der Paläontologie: dreidimensionales Modellieren von in situ Harzen innerhalb fossiler Pflanzen

Computer-Tomographie ist eine zunehmend beliebte Technik um Fossilien zerstörungsfrei zu untersuchen. Während sich die Röntgen-Computer-Tomographie (CT) seit der ersten Anwendung bei Fossilien in den frühen 1980er Jahren stark weiterentwickelt hat, bleiben Anwendung und Grenzen von Neutronen-Tomopgraphie (NT) relativ unerforscht in der Paläontologie. Die höchstauflösenden neutronentomographischen Scans in der Paläontologie bislang wurden von Austrosequoia novae-zeelandiae (Ettingshausen) Mays and Cantrill gemacht, ein Stück, das aus den mittelkretazischen Schichten (Cenoman; ~100–94 Ma) der Stratham Inseln (östliches Zealandia) stammt. Bislang wurde die Art mit in situ Harz (Bernstein) identifiziert. Die neue neutronentomographische Analyse wies ein ungewöhnlich hohes Neutronendämpfungssignal für fossiles Harz auf. Die resultierenden Daten lieferten einen starken Kontrast und deutliche dreidimensionale Repräsentanzen: 1) des fossilen Harzes; 2) es inkohlten Pflanzenmaterials und 3) der Sedimentmatrix. Diese Daten vereinfachten das anatomische Modell eines endogenen Harzkörpers innerhalb der Zapfen-Achse und des Deckblattkomplexes. Form und Verteilung der Harzkörper unterstützen eine nahe Verbindung mit Sequoia Endlicher (Cupressaceae), einer Gruppe von Koniferen, deren heutige Mitglieder nur in der nördlichen Hemisphäre gefunden werden. Diese Untersuchung demonstriert die Umsetzbarkeit von NT als Möglichkeit chemisch verschiedene organische Verbindungen innerhalb von Fossilien zu unterscheiden. Wir machen hier konkrete Empfehlungen in Bezug auf: 1) die Eignung von fossilen Erhaltungsarten für NT; 2) die Erhaltung von organischen Stücken mit wasserstoffhaltigen Konsolidierungsmitteln und Klebemitteln; und 3) die Anwendung von Zukunftsmethoden (Neutronenphasenkontrast) für weitere Verbesserungen bei der Abbildung von fein-detaillierten anatomischen Strukturen. Diese Funde zeigen, dass wir die konzeptionellen Grenzen von NT als ein Mittel zum virtuellen Extrahieren von Fossilien oder zum Abbilden ihrer internen Anatomie selbst wenn sie in Matrix eingeschossen sind, noch lange nicht erreicht haben.

Schlüsselwörter: Neutronen-Tomographie; Harz; Zapfen; Cupressaceae; Kreide; Erhaltung

Translator: Eva Gebauer

Arabic

Translator: Ashraf M.T. Elewa