M4 TORNADOによる古生物学・化石分析

化石分析にM4 TORNADOを選ぶ理由とは?

化石は、地球上の生命の記録を保存するものです。化石の組成は、生物が生きていた時の成長や環境、そして死後の埋没、機械的再堆積、続成作用の過程で生じた変化について多くの情報を明らかにします。

M4 TORNADOによるmicro XRF元素マッピングは、あらゆる種類の化石に対して、非侵襲的かつ迅速な組成評価を可能にし、単なる美しい画像以上の価値を提供します。

図1 - M4 TORNADOは、地質試料の空間元素分析を行う卓上型 Micro XRF分光計です。

続成作用の過程で炭酸塩化石材料は変質します

化石は収集品としての価値がある一方で、地球上の生命進化を理解するための扉を開くものです。堆積物中に長期間埋没しているため、主要な鉱物は変質し、通常の場合、有機物は時間とともに自然に還ります。

一次構造が置換された場合、化学的な指紋が化石の構造を可視化し、変質過程を理解する手段となり得ます。

図2 - M4 TORNADO を用いた micro-XRF によるアンモナイト化石の元素分析。

魚類化石の地球化学的指紋

地球規模の複数の地点で、見事に保存された始新世の魚類化石が発見されており、当時の気候や地質史を理解するための重要な手がかりとなっています。良好に保存されているものの、カメラや顕微鏡による視覚的な撮影には、アルコールなどで化石を定期的に湿らせる必要がある場合があります。これに代わる方法として、非侵襲的な Micro-XRF元素マッピングがあります。

M4 TORNADOで取得された元素マップは、解剖学的構造の詳細な特徴付けなど、分類学・系統学・古生態学の研究に不可欠な情報を提供します。これらの構造は通常、判別が困難または不可能ですが、重要な意味を持ちます。さらに、X線の深い浸透により、上層構造や薄い堆積層に隠れた特徴のイメージングも可能です。M4 TORNADOは、異なる場所からの標本群を測定し、化石の追加処理を最小限に抑えながら体系的に比較することも可能です。

図3 - 魚類化石の Micro-XRF元素マップ。ストロンチウム（白）の元素マップは骨格部分の詳細を鮮明に示しています。

脊椎動物化石の元素特性解析

脊椎動物化石の解剖学的構造をより深く探究するために、Micro-XRFによる元素マッピングが有効です。これにより、異なる骨の組成の違いや、埋没や経過時間によって元の骨組成が変質した箇所を明らかにし、化石のどの部分が本来の成長履歴を示しているかを理解できます。

M4 TORNADO Micro-XRF分光計による非侵襲的な測定手法は、貴重な化石標本を損傷することなく、このような詳細情報を取得できます。また、得られたデータセットは、現地でのアクセスが難しい研究者にも遠隔で共有可能です。

20μm未満のX線スポットと高感度検出器により、コウモリの顎骨、肩、足、尾の一部（中央下のマップ）など、複雑な細部を視覚化することができます。

図4 - 4700万年前のコウモリ化石の元素マップ（ドイツ・フランクフルトのゼンケンベルク博物館所蔵）、M4 TORNADOにてデータ取得。マップサイズは43 mm × 82 mm。カルシウム（白）とマンガン（青）のマップは、化石化した骨格構造の精緻な保存状態を示し、主骨格（Mnが多い）と歯（Mnが少ない）を構成する材料の組成の違いを明らかにしています。チタンの元素マップは、母岩である堆積岩の組成的特徴を示し、骨格が複数の断片を組み合わせたものではなく、完全な個体であることを確認します。

変形構造か古代の化石か？ストロマトライト構造における元素変動のマッピング

ストロマトライトは、微生物マットが堆積物を捕捉・結合することで形成された層状の堆積構造であり、地球上の生命の最古の物理的証拠として保存されています。そのため、ストロマトライトの最古の出現をめぐっては大きな論争があり、グリーンランドのイスア超地殻帯に保存された構造が約38億1000万年前まで遡る生命の証拠であるかどうかについて、賛否両論の研究が発表されています。

ストロマトライトを肯定的に同定するために必要な重要な証拠の一つは、層状構造です（例：右図のストロマトライトマップ）。マイクロXRFは、長期間の地殻滞留中に起こり得るこの元の構造の変質を、肉眼ではもはや確認できない場合でも、微小スケールでの元素レベルまでの特性解析によって見抜く手段を提供します。鉱物学や同位体などの他の証拠と相関させることで、私たちは太古の過去を覗き込み、地球の初期進化について確かな解釈を構築することができます。

詳細はこちらの研究をご覧ください：
Zawaski et al. (2020) Reassessment of approximately 3.7-billion-year-old stromatolite-like structures in the Isua supracrustal belt, Greenland, based on detailed chemical and structural analysis.