С помощью промышленного измельчителя и камеры сверхвысокого разрешения геологи из Принстона Адам Малуф и Акшай Мехра могут разбирать образцы горных пород и создавать трехмерные цифровые версии, на которые ученые могут смотреть под любым углом. Кроме того, они разработали программное обеспечение, которое позволяет компьютеру сегментировать изображения и выделять объекты без предвзятости человека.Используя эту технологию в сочетании с подробными полевыми наблюдениями, они исследовали существо с тонким панцирем, которое жило на большей части мира около 545 миллионов лет назад, Клаудина, в целом согласился стать первым в истории «биоминерализатором», организмом, который может создавать панцирь или кости в дополнение к мягким тканям.
В то время как предыдущие исследователи утверждали, что Клаудина строили рифы, Малуф и Мехра смогли использовать свою трехмерную реконструкцию тонких трубчатых структур существ, чтобы сделать вывод о том, что окаменелости были перенесены из других мест, предполагая, что Клаудина играл только второстепенная роль в самых ранних рифовых системах. Их работа опубликована в текущем выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences.«Я думал, что, войдя, мы узнаем все об этом удивительном первом биоминерализаторе и первом строителе рифов, но Клаудина оказалась больше похожа на обитателя рифов», — сказал Малоф, доцент геолого-геофизических наук.
Теперь он сосредоточил свое внимание на следующем по возрасту потенциальном строителе рифов, губке под названием Археоциатид, которая жила около 520 миллионов лет назад.Cloudina оказалась устойчивой к детальному изучению, потому что ее хрупкая оболочка слишком хрупка для физического извлечения из окружающего известняка, и ее нельзя было получить удаленно с помощью традиционных методов рентгеновской томографии, которые требуют разницы в плотности между интересующим объектом и окружающим материалом. . Поскольку Cloudina химически идентична известняку, окаменелости были практически невидимы для рентгеновских лучей.
Познакомьтесь с GIRIПочти пять лет назад Малоф и его соавтор Брэд Сэмюэлс собрали технологию, чтобы создать то, что он теперь называет «флипбуками», цифровыми изображениями, которые проходят через более чем тысячу тонких пластин в скале. Известный как «GIRI» или «измельчитель», Princeton Grinding Imaging and Reconstruction Instrument является ответом на давнее желание геологов узнать, как горные породы выглядят изнутри.«Вечно — со времен Дарвина — люди пытались выяснить, как окаменелости выглядят в трехмерном пространстве, когда они встроены в скалу и их трудно достать», — сказал Малуф. «Люди тогда делали серийные секции точно так же — но, возможно, не в таком масштабе — где они шлифовали небольшой камень, рисовали его, шлифовали еще немного, рисовали …
Это может быть невероятно время- потребляющий. "Попробуйте GIRI, который может нарезать ломтики толщиной в несколько микрон (менее 1 процента миллиметра) и может работать 24 часа в сутки в течение нескольких недель. Поскольку для вырезания и изображения каждого среза требуется около 90 секунд, исследователям приходится выбирать между скоростью и масштабом. Большинство представленных Малуфом и Мехрой образцов разрезаны на 30-микронные срезы, что составляет примерно треть толщины человеческого волоса. Типичный образец толщиной 1500 срезов и толщиной в дюйм занимает около полутора дней на шлифовку и формирование изображения; в течение этого времени оператору необходимо только один раз заменить машинную жидкость и очистить дворники (которые очищают поверхность после каждого разреза).
«Это разрушительный процесс», — сказал Малуф. «Кости динозавров, лунные образцы — есть определенные образцы, которые люди с меньшей вероятностью дадут нам. Это нас не остановило, потому что большинство образцов не имеют ценности.
Клаудина, их огромное количество — мы никогда не сможем их измельчить. все."GIRI может произвести трехмерную визуализацию любого твердого объекта, независимо от того, имеет ли он разницу в плотности, необходимую для эффективной рентгеновской компьютерной микротомографии (обычно известной как рентгеновская компьютерная томография или микро-компьютерная томография). Кроме того, поскольку вы делаете снимок со сверхвысоким разрешением для каждого среза, вы всегда видите сам камень, а не только модель плотности, которую может предоставить дистанционное зондирование.
«Это, конечно, деструктивно, это недостаток, но что так приятно, так это то, что вы можете видеть фотографии и проводить прямые наблюдения», — сказал Малуф. "Это то, что так изменило мою жизнь: мне нравится, что это не модель. Вы можете просто увидеть это. На любом конкретном фрагменте, если вы найдете что-то отличное, вы можете просто найти фрагмент и сказать: ‘Как он выглядел? нравиться?’ … Мы совершаем виртуальный тур внутри, а не смотрим на формы сигналов и не пытаемся их интерпретировать ".
И хотя GIRI действительно измельчает образец, он сохраняет каждую деталь на своих изображениях с высоким разрешением, сказал Малоф, что, возможно, делает его менее разрушительным, чем другие подходы. Он также сохраняет структурную информацию, которая показывает, как формировались горные породы. «Когда люди пытались получить трехмерную информацию из таких скал, которые непрозрачны для рентгеновских лучей, они всегда пытались растворить материал.
Но тогда вы теряете всю информацию на месте. Вы не знаете как они росли. Они не имеют отношения друг к другу. И вы не знаете, как они связаны, возможно, с более мелкими или менее упругими частями.
Вы можете предпочтительно распустить орнамент или другие ключевые детали. Так что это способ сохранить их их среду обитания, все еще пытаясь выяснить, как они выглядели ".
За годы, прошедшие с тех пор, как Малоф собрал GIRI, он и его исследовательская группа добились улучшения физического состояния. К ним относятся переработка и замена корпуса камеры, а также механизма протирания и подготовки поверхности камня для фотографирования после каждой шлифовки.
Они также установили мониторы температуры и влажности, чтобы фиксировать условия во время каждой фотографии. Исследователи также сократили время измельчения ломтика с семи минут до 90 секунд.
Однако самые большие изменения заключались в улучшении программного обеспечения для запуска машины и анализа результатов.По словам Мехры, с помощью набора интерактивных сценариев MATLAB и функций Applescript управляющий компьютер теперь может отправлять и получать сигналы от кофемолки, запускать затвор и проверять захват изображения, и все это во время работы GIRI.«С самого начала Акшай разрабатывал решения для машинного обучения, чтобы сделать процесс сегментации изображения — различение окаменелостей от матрицы, цемента и т. Д. В каждом срезе — автоматизированным и надежным», — сказал Малуф. «Он разработал методы, которые в конечном итоге будут важны для любых томографических приложений, включая рентгеновскую компьютерную томографию.
Акшай также разработал способы проведения количественных измерений в реконструированных трехмерных объемах. Вы будете удивлены, насколько много трехмерного моделирования это приводит только к визуализации и качественной интерпретации, тогда как Акшай фактически измеряет размер, форму и трехмерную ориентацию этих существ ».Используя разработанное им программное обеспечение, «Мы можем напрямую измерить эти образцы Cloudina», — сказал Мехра. «Мы можем напрямую измерить, в каком направлении изгибаются трубы, каков их диаметр, какова их кривизна — ни одна из них на самом деле не прямая — и на основе этой информации мы можем определить, находятся ли они на месте или нет. "Мехра также разработал нейронные сети для идентификации типов горных пород только по их визуальным свойствам: цвету и текстуре.
После того, как пользователь определяет, какие «классы» присутствуют в нескольких изображениях из стека — например, ископаемое в сравнении с матрицей или ключевые минералы в метаморфической породе — сеть может предсказать, принадлежит ли пиксель к заданному классу. с точностью более 90%.При этом, по его словам, студентов и аспирантов обычно можно обучить запуску GIRI примерно за день.Ученые со всего мира обратились к Малуфу и Мехре с просьбой о виртуальных визуальных турах по их собственным образцам.
Палеонтологи надеются исследовать хрупкие структуры самых ранних форм жизни на Земле, огромное количество ранних существ с панцирем, первых рыб, первых наземных существ, внутреннюю структуру аммонитов и других организмов с внутренней системой плавучести и даже кости динозавров. Ученые-планетологи начали изучать метеориты с помощью GIRI, чтобы посмотреть на крошечные зерна, называемые хондрами, которые содержат подсказки о том, как образовались планеты. Инженеры исследуют возможные породы-коллекторы на предмет связывания углерода и измельчают графитовые батареи, чтобы исследовать трехмерную структуру пористости в углероде.
«На самом деле нет предела тому вкладу, который может сделать GIRI», — сказал Малуф. «Это представляет собой пять лет работы. Это единственный в мире инструмент, подобный ему».