Goldfuß was right: Soft part preservation in the Late Jurassic pterosaur Scaphognathus crassirostris revealed by reflectance transformation imaging (RTI) and UV light and the auspicious beginnings of paleo-art

Kai R.K. Jäger, Helmut Tischlinger, Georg Oleschinski, and P. Martin Sander

Plain Language Abstract

Pterosaurs were flying reptiles that lived during the Mesozoic Era. Scaphognathus crassirostris, a small pterosaur from the Jurassic Solnhofen Limestone, was described by the German paleontologist Georg August Goldfuß in 1831. Goldfuß was the first to recognize that pterosaurs had some type of “fur”, based on fiber impressions in the limestone surrounding the specimen. Despite his detailed description and the first life reconstruction of an extinct animal in a scientific publication, his findings were rejected by the upcoming generation of paleontologists in the middle of the 19th century. Due to new well-preserved fossils, it became widely accepted that pterosaurs had “fur” in the 20th century. However, Goldfuß' findings were almost forgotten and received little attention from the scientific community. In 2003 Helmut Tischlinger confirmed Goldfuß by using ultraviolet light (UV light), which supported the presence of soft tissue in the places noted by Goldfuß. We applied an additional method, reflectance transformation imaging (RTI), in order to compare it to UV light and to illustrate the structures mentioned by Goldfuß. RTI is a method that uses multiple images of an object, all taken from the same position but with varying photoflash positions. The pictures are subsequently processed with the freeware software RTIBuilder to create a virtual image with a movable light source. Additional rendering modes enable the user to analyze the structure in detail. This method was originally developed by Malzbender et al. (2000, 2001) and called polynomial texture mapping (PTM). Nowadays PTM is one specific type of RTI. Since its development, RTI has frequently been used in archaeology, but is still almost unknown in paleontology, with only two paleontological papers published in the past 16 years (Hammer et al., 2003; Hammer and Spocova, 2013). This is quite surprising since RTI holds great potential for paleontological studies in having the ability to display minor relief differences. We were able to confirm Goldfuß' findings and to show the soft tissue in unique clarity. Compared to UV light, RTI lacks the ability to show the type of substance preservation based on the presence of certain compounds. RTI, on the other hand, provides better results in regions where the soft tissue is mostly preserved as imprints. We conclude that RTI holds great high potential for paleontological analyses since it is easy to apply and comes in handy when analyzing flat fossils on slabs of sediment. For studies on fossil soft tissue, we recommend the application of RTI as an addition to UV light.

Resumen en Español

Goldfuß tenía razón: preservación de partes blandas en el pterosaurio del Jurásico tardío Scaphognathus crassirostris revelada por imágenes por transformación de reflectancia (RTI) y luz UV y los auspiciosos comienzos del paleo-arte

La Imágenes por Transformación de Reflectancia (RTI) es una técnica basada en múltiples fotos digitales con una posición de cámara fija e iluminación desde diferentes direcciones. Estas fotos se procesan para crear un archivo de imagen en el que la posición de la fuente de luz y las propiedades de reflectancia se pueden modificar digitalmente. El método se usa con frecuencia en arqueología debido a sus capacidades para visualizar detalles de la superficie. Aquí aplicamos imágenes de RTI en el holotipo del pterosaurio no pterodactiloide Scaphognathus crassirostris de la famosa caliza litográfica de Solnhofen, del Jurásico tardío, y comparamos los resultados con imágenes de luz ultravioleta (UV). El espécimen es de particular interés histórico ya que fue el primer pterosaurio para el que el paleontólogo y geólogo alemán Georg August Goldfuß describió un integumento "similar a la piel" en 1831. Su publicación sobre este fósil incluye inferencias paleobiológicas detalladas y culmina con la publicación de la primera reconstrucción científica de cómo vivía en su entorno un vertebrado extinto. Sin embargo, la conservación de partes blandas no fue aceptada como un hecho real por científicos posteriores como Herman von Meyer, y el trabajo de Goldfuß sobre preservación de partes blandas, paleobiología y paleo-arte fue en gran parte olvidado. Con la técnica RTI y la luz UV, las picnofibras que cubrían el cuello y otras partes del cuerpo, así como actinofibrillas y vasos sanguíneos en la membrana del ala, se visualizaron en el espécimen de Scaphognathus crassirostris, confirmando en gran medida las observaciones de Goldfuß. La aplicación de la técnica RTI es técnicamente sencilla y es prometedora para realizar estudios paleontológicos, especialmente para fósiles planos en losas de roca sedimentaria, donde pequeñas diferencias en el relieve pueden suponer información crucial. Por lo que sabemos, este es el primer estudio que aplica RTI para investigar la conservación de partes blandas en fósiles de vertebrados.

Palabras clave: Scaphognathus crassirostris; Goldfuß; Jurásico; conservación de partes blandas; imágenes por transformación de reflectancia; luz ultravioleta

Traducción: Enrique Peñalver (Sociedad Española de Paleontología)

Résumé en Français

Goldfuß avait raison : la préservation des tissus mous du ptérosaure Scaphognathus crassirostris (Jurassique récent) révélée par imagerie par transformation de la réflectance (ITR) et lumière UV, et les débuts encourageants du paléo-art

L’Imagerie par Transformation de la Réflectance (ITR) est une technique basée sur de multiples photographies numériques prises avec une caméra en position fixe et une lumière provenant de directions différentes. Ces photographies sont traitées pour créer un fichier image dans lequel la position de la source de lumière et les propriétés de réflectance peuvent être modifiées numériquement. Cette méthode est fréquemment utilisée en archéologie pour sa capacité à visualiser les détails d’une surface. Dans cet article, nous appliquons l’ITR à l’holotype du ptérosaure non-ptérodactyloïde Scaphognathus crassirostris, provenant des célèbres calcaires lithographiques du Jurassique récent de Solnhofen et nous comparons les résultats avec ceux obtenus par imagerie par lumière ultra-violette (UV). Ce spécimen est d’un intérêt historique particulier car il est le premier ptérosaure pour lequel un tégument ressemblant à des poils a été décrit en 1831 par le paléontologue et zoologue allemand Gorg August Goldfuß. La publication de ce fossile par Goldfuß inclut des déductions paléobiologiques détaillées et aboutit à la première reconstruction scientifique publiée de l’apparence d’un vertébré éteint lorsqu’il était vivant dans son environnement. Cependant, la préservation des tissus mous n’a pas été acceptée par les scientifiques ultérieurs comme Herman von Meyer, et le travail de Goldfuß sur la préservation des tissus mous, la paléobiologie, et le paléo-art a été largement oublié. L’ITR et la lumière UV ont permis de visualiser les pycnofibres couvrant le cou et le corps ainsi que des actinofibrilles et des vaisseaux sanguins sur la membrane de l’aile du spécimen de Scaphognathus crassirostris, confirmant en grande partie les observations de Goldfuß. L’application de l’ITR est techniquement aisée et prometteuse pour les études paléontologiques, en particulier dans le cas des fossiles aplatis sur des plaques de sédiments, pour lesquels des différences mineures de relief peuvent révéler des informations cruciales. À notre connaissance, cette étude est la première à appliquer l’ITR à la préservation des tissus mous chez des fossiles de vertébrés.

Mots-clés : Scaphognathus crassirostris ; Goldfuß ; Jurassique ; préservation des tissus mous ; imagerie par transformation de la réflectance ; lumière ultra-violette

Translator: Antoine Souron

Deutsche Zusammenfassung

Goldfuß hatte recht: RTI und UV-Licht belegen Weichteilerhaltung beim oberjurassischen Pterosaurier Scaphognathus crassirostris und der vielversprechende Anfang der paläontologischen Lebendrekonstruktionen

Reflectance Transformation Imaging (RTI) ist eine Visualisierungsmethode, welche digitale Fotos mit fixer Kameraposition und unterschiedlicher Belichtungsrichtung verwendet. Diese werden verarbeitet und eine Bilddatei erzeugt, in der der Belichtungswinkel sowie die Reflektionseigenschaften des Objektes digital verändert werden können. In dieser Studie wurde der Holotyp des Nicht-Pterodaktylen Pterosauriers Scaphognathus crassirostris, aus den weltberühmten Solnhofener Plattenkalken, mittels RTI untersucht, und die Ergebnisse mit denen von bildgebenden Verfahren mit Ultraviolettem Licht (UV) verglichen. Das Stück ist von besonderem wissenschaftshistorischem Interesse, da es das sich hierbei um den ersten Pterosaurier handelt, für den bereits 1831 von dem deutschen Paläontologen Georg August Goldfuß das Vorhandensein von „Haaren“ beschrieben wurde. Seine Publikation enthält bereits detaillierte paläobiologische Hypothesen, sowie die erste wissenschaftliche Lebendrekonstruktion eines ausgestorbenen Wirbeltiers in seinem Lebensraum. Von der folgenden Generation von Wissenschaftlern, wie beispielsweise Herman von Meyer, wurde jedoch die Möglichkeit von Weichteilerhaltung abgelehnt, und so wurde Goldfuß Beitrag zur Weichteilerhaltung, Paläobiologie und Rekonstruktion weitestgehend vergessen. Mittels RTI und UV-Licht konnten Pycnofibrillen, Aktinofibrillen und Blutgefäße auf der Flughaut von Scaphognathus crassirostris nachgewiesen, und so Goldfuß‘ Interpretationen weitestgehend bestätigt werden. Die Anwendung von RTI gestaltet sich technisch einfach und ist vielversprechend für paläontologische Studien, insbesondere bei flachen Fossilien, bei denen kleinste Unterschiede im Relief bei der Interpretation von großer Wichtigkeit sein können. Nach unserem Wissen ist diese Studie die erste bei der RTI zur Untersuchung von Weichteilen von Wirbeltierfossilien zur Anwendung kommt.

Scaphognathus crassirostris; Goldfuß; Jura; Weichteilerhaltung; Reflectance
Transformation Imaging; UV-Licht

Translator: Authors

Arabic

Translator: Ashraf M.T. Elewa

Polski

Goldfuß miał rację: zachowanie części miękkich u późnojurajskiego pterozaura Scaphognathus crassirostris pokazanych przez obrazowanie z transformacją odbiciową (RTI) i światłem ultrafioletowym oraz pomyślne początki paleo-sztuki.

Reflectance Transformation Imaging (RTI) to technika oparta na wielu cyfrowych zdjęciach z ustaloną pozycją aparatu i oświetleniem z różnych kierunków. Te zdjęcia są przetwarzane w celu utworzenia pliku graficznego, w którym pozycja źródła światła i właściwości odbicia światła mogą być modyfikowane cyfrowo. Metoda ta jest często wykorzystywana w archeologii ze względu na jej zdolność do wizualizacji szczegółów powierzchni. Tutaj stosujemy obrazowanie RTI na holotypie nieprterygodaktylowego pterozaura Scaphognathus crassirostris ze słynnego wapienia litograficznego Solnhofen z późnej jury i porównanie wyników z obrazowaniem w świetle ultrafioletowym (UV). Okaz jest szczególnie interesujący pod względem historycznym, ponieważ był to pierwszy pterozaur, dla którego powłokę "futrzastą" opisał niemiecki paleontolog i zoolog Georg August Goldfuß w 1831 r. Jego publikacja na temat tej skamieniałości zawiera szczegółowe wnioski paleobiologiczne i kończy się pierwszą opublikowaną naukową rekonstrukcją wyglądu wymarłego kręgowca w jego środowisku. Zachowanie części miękkich nie zostało jednak zaakceptowane przez późniejszych badaczy, takich jak Herman von Meyer, a prace Goldfußa dotyczące zachowania miękkich części, paleobiologii i paleo-sztuki zostały w dużej mierze zapomniane. W RTI i świetle ultrafioletowym są widoczne pyknofibryle pokrywające szyję i ciało, a także aktynofibryle i naczynia krwionośne na membranie skrzydłowej okazu Scaphognathus crassirostris, co w większości potwierdza obserwacje Goldfußa. Zastosowanie techniki RTI jest technicznie łatwe i obiecujące w badaniach paleontologicznych, zwłaszcza w przypadku płaskich skamieniałości na płytach osadowych, gdzie niewielkie różnice w reliefie mogą mieć kluczowe znaczenie. Zgodnie z naszą wiedzą jest to pierwsze badanie, w którym stosuje się RTI do badania zachowanych części miękkich w skamieniałościach kręgowców.

Słowa kluczowe: Scaphognathus crassirostris; Goldfuß; Jurajski; zachowanie części miękkich; obrazowanie transformacji odbiciowej; światło ultrafioletowe

Translator:  Krzysztof Stefaniak