Princeton-geologer løser fossilt mysterium ved at oprette en 3D-virtuel tur gennem sten

Har du nogensinde ønsket, at du kunne rejse inde i en klippe? Det lyder måske mere som magi end videnskab, men Princeton -forskere har fundet en måde at gøre det (næsten) sandt.

Med en industrikværn og et kamera i superhøj opløsning, Princeton-geoforskere Adam Maloof og Akshay Mehra kan dekonstruere stenprøver og oprette tredimensionelle digitale versioner, som forskere kan se på fra enhver vinkel. Ud over, de har udviklet software, der gør det muligt for computeren at segmentere billeder og isolere objekter uden menneskelig skævhed.

Brug af denne teknologi i forbindelse med detaljerede feltobservationer, de undersøgte et tyndskallet væsen, der levede over store dele af verden for omkring 545 millioner år siden, Cloudina, var generelt enige om at være den første biomineraliserende nogensinde, "en organisme, der kan skabe en skal eller knogler ud over blødt væv.

Mens tidligere forskere havde argumenteret for, at Cloudina var revbyggere, Maloof og Mehra var i stand til at bruge deres 3-D rekonstruktion af væsenernes sarte rørlignende strukturer til at konkludere, at fossilerne var blevet transporteret fra andre områder, tyder på, at Cloudina kun spillede en mindre rolle i de tidligste revsystemer. Deres arbejde fremgår af det aktuelle nummer af Procedurer fra National Academy of Sciences .

"Jeg troede, at når vi gik ind, ville vi lære alle slags om denne fantastiske første biomineralisator og første revbygger, men Cloudina viste sig mere at ligne en revboer, "sagde Maloof, en lektor i geovidenskab. Han har nu vendt sit fokus til den næstældste potentielle revbygger, en svamp kaldet Archaeocyathid, der levede for omkring 520 millioner år siden.

Cloudina havde vist sig modstandsdygtig over for detaljerede undersøgelser, fordi dets sarte kabinet er for skrøbeligt til at udtrække fysisk fra den omgivende kalksten, og det kunne ikke fjernbilledes med traditionelle røntgentomografiteknikker, som kræver tæthedsforskelle mellem objektet af interesse og det omgivende materiale. Fordi Cloudina er kemisk identisk med kalksten, fossilerne var effektivt usynlige for røntgenstråler.

Mød GIRI

For næsten fem år siden, Maloof og nd Situ Studio -samarbejdspartneren Brad Samuels samlede teknologien for at skabe det, han nu kalder "flipbooks, "digitale gengivelser, der bevæger sig gennem mere end tusinde skive-tynde skiver gennem en sten. Kendt som" GIRI "eller" kværnen, "Princeton Grinding Imaging and Reconstruction Instrument er et svar på geologers mangeårige ønske om at vide, hvordan sten ser ud indeni.

"For altid-siden Darwin-har folk forsøgt at finde ud af, hvordan fossiler ser ud i 3D, når de er indlejret i rock, og det er svært at få dem ud, "Sagde Maloof." Folk lavede seriel sektioner ligesom på den måde dengang - men måske ikke i denne skala - hvor de ville slibe en lille sten væk, tegn det, slibe lidt mere, tegne det. ... Det kan være utrolig tidskrævende. "

Indtast GIRI, som kan skære skiver så tynde som et par mikron (mindre end 1 procent af en millimeter) og kan køre 24 timer i døgnet i flere uger. Da hver skive tager omkring 90 sekunder at klippe og billed, forskere skal vælge mellem hastighed og skala. De fleste af de eksemplarer, Maloof og Mehra har taget, er skåret i skiver på 30 mikron, omkring en tredjedel tykkelsen af ​​et menneskehår. En typisk tommer tyk, 1, Prøve på 500 skiver tager cirka halvanden dag at male og billede; i løbet af denne tid, operatøren skal udskifte maskinvæsker og rengøre viskerne (som rydder overfladen efter hvert snit) kun én gang.

"Processen er ødelæggende, "Sagde Maloof." Dinosaurben, måneprøver - der er visse eksemplarer, som folk er mindre tilbøjelige til at give os. Det har ikke rigtig stoppet os, fordi de fleste prøver ikke er dyrebare. Cloudina, der er zillioner af dem - vi kunne aldrig male dem alle. "

GIRI kan producere en 3D-gengivelse af ethvert fast objekt, hvorvidt den har de tæthedsforskelle, der er nødvendige for effektiv røntgenberegnet mikrotomografi (normalt kendt som røntgen CT eller Micro CT). Ud over, fordi du tager et foto i superhøj opløsning med hvert stykke, du ser altid selve klippen, ikke kun den tæthedsmodel, som fjernmåling kan levere.

"Det er selvfølgelig ødelæggende, det er ulempen, men det der er så rart er, at du får se fotografier og foretage direkte observationer, "Maloof." Det er det, der har været så livsændrende for mig:Jeg elsker, at det ikke er en model. Du kan bare se det. På en given skive, hvis du finder noget godt, du kan bare finde udsnittet og sige, 'Hvordan så det ud?' ... vi er på en virtuel tur indenfor, frem for at se på bølgeformer og forsøge at fortolke dem. "

Og mens GIRI pulveriserer prøven, den bevarer alle detaljer i sine billeder i høj opløsning, Maloof sagde, hvilket uden tvivl gør det mindre destruktivt end andre tilgange. Det bevarer også de strukturelle oplysninger, der afslører, hvordan klipperne dannede sig. "Når folk har forsøgt at få 3D-information fra sten som denne, der er uigennemsigtige for røntgenstråler, de har altid forsøgt at opløse materialet. Men så mister du alle informationerne på stedet. Du ved ikke, hvordan de voksede. De har ikke noget forhold til hinanden. Og du ved ikke, hvordan de er relateret til måske mindre eller mindre modstandsdygtige dele. Du kan fortrinsvis opløse ornamentikken eller andre vigtige detaljer. Så det er en måde at holde dem på i deres levesteder, mens de stadig forsøger at finde ud af, hvordan de så ud. "

I årene siden Maloof samlede GIRI, han og hans forskerhold har foretaget fysiske forbedringer. Disse omfatter redesign og udskiftning af kamerahuset samt mekanismen til at aftørre og forberede stenoverfladen til fotografering efter hver slibning. De har også installeret skærme til temperatur og fugtighed for at registrere forhold under hvert fotografi. Forskerne reducerede også maletiden pr. Skive fra syv minutter til 90 sekunder. De største ændringer, selvom, har forbedret software til at køre maskinen og analysere output.

Ved hjælp af en samling af interaktive MATLAB -scripts og Applescript -funktioner, kontrolcomputeren kan nu sende og modtage signaler fra kværnen, udløser lukkeren, og kontrollere billedoptagelse, alt mens GIRI er i drift, Sagde Mehra.

"Fra bunden, Akshay har designet maskinlæringsløsninger til at foretage processen med billedsegmentering-at differentiere fossiler fra matrix, cement, etc., i hver skive - automatiseret og pålidelig, "sagde Maloof." Han har udviklet teknikker, der i sidste ende vil være vigtige for alle tomografiske applikationer, herunder røntgen CT. Akshay har også udviklet måder at foretage kvantitative målinger i de rekonstruerede 3D-mængder. Du vil blive overrasket over, hvor meget 3D-modellering derude kun fører til visualisering og kvalitativ fortolkning, der henviser til, at Akshay faktisk måler størrelsen, form og 3D-orientering af disse insekter. "

Ved hjælp af den software, han har udviklet, "Vi kan direkte måle disse Cloudina -prøver, "sagde Mehra." Vi kan direkte måle, hvilke retninger rørene bøjer, hvad deres diametre er, hvad deres krumninger er - ingen af ​​dem er faktisk lige - og baseret på disse oplysninger, vi kan afgøre, om de er in situ eller ikke in situ. "

Mehra har også designet neurale netværk til kun at identificere klippetyper ud fra deres visuelle egenskaber:farve og tekstur. Når brugeren har defineret, hvilke "klasser" der er til stede i en håndfuld billeder fra stakken - fossil versus matrix, for eksempel, eller de vigtigste mineraler i en metamorf sten - netværket kan derefter forudsige, om en pixel tilhører en given klasse med mere end 90 procent nøjagtighed.

Og med alt det, han sagde, bachelor- og kandidatstuderende kan typisk trænes til at køre GIRI på cirka en dag.

Forskere fra hele verden har kontaktet Maloof og Mehra for at bede om virtuelle, visuelle ture inde i deres egne eksemplarer. Paleontologer håber at undersøge de sarte strukturer fra det tidligste liv på jorden, det enorme udvalg af tidligt afskallede væsner, den første fisk, de første landdyr, den interne struktur af ammonitter og andre organismer med interne opdriftssystemer og endda dinosaurben. Planetforskere er begyndt at undersøge meteoritter med GIRI for at se på små korn kaldet chondrules, der indeholder tip om, hvordan planeterne dannede sig. Ingeniører tester mulige reservoirsten til kulstofbinding og slibning af grafitbatterier for at undersøge 3-D-strukturen af ​​porøsitet i kulstoffet.

Der er virkelig ingen grænse for de bidrag, GIRI kan yde, sagde Maloof. "Dette repræsenterer fem års arbejde. Det er det eneste instrument i verden, der kan lide det."