Hai mai desiderato di poter viaggiare all'interno di una roccia? Può sembrare più magia che scienza, ma gli scienziati di Princeton hanno trovato un modo per renderlo (quasi) vero.

Con una smerigliatrice industriale e una fotocamera ad altissima risoluzione, I geoscienziati di Princeton Adam Maloof e Akshay Mehra possono decostruire campioni di roccia e creare versioni digitali tridimensionali che gli scienziati possono guardare da qualsiasi angolazione. Inoltre, hanno sviluppato un software che consente al computer di segmentare le immagini e isolare gli oggetti senza pregiudizi umani.

Utilizzando questa tecnologia in combinazione con osservazioni dettagliate sul campo, hanno esaminato una creatura dal guscio sottile che visse su gran parte del mondo circa 545 milioni di anni fa, Cloudina, generalmente accettato di essere il primo "biomineralizzatore, "un organismo che può creare un guscio o delle ossa oltre ai tessuti molli.

Mentre i ricercatori precedenti avevano sostenuto che i Cloudina fossero costruttori di barriere coralline, Maloof e Mehra sono stati in grado di utilizzare la loro ricostruzione 3D delle delicate strutture a tubo delle creature per concludere che i fossili erano stati trasportati da altre aree, suggerendo che Cloudina ha svolto solo un ruolo minore nei primi sistemi di barriera corallina. Il loro lavoro appare nell'attuale numero del Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Pensavo che entrando avremmo imparato tutto su questo fantastico primo biomineralizzatore e primo costruttore di barriere coralline, ma Cloudina si è rivelato essere più simile a un abitante della barriera corallina, " disse Maloof, professore associato di geoscienze. Ora ha rivolto la sua attenzione al prossimo potenziale costruttore di barriere coralline, una spugna chiamata Archeocyathid vissuta circa 520 milioni di anni fa.

Cloudina si era dimostrata resistente allo studio dettagliato perché il suo delicato involucro è troppo fragile per essere estratto fisicamente dal calcare circostante, e non può essere ripreso a distanza con le tradizionali tecniche di tomografia a raggi X, che richiedono differenze di densità tra l'oggetto di interesse e il materiale circostante. Poiché Cloudina è chimicamente identica al calcare, i fossili erano effettivamente invisibili ai raggi X.

Incontra GIRI

Quasi cinque anni fa, Maloof e Brad Samuels, collaboratore di Situ Studio, hanno assemblato la tecnologia per creare quelli che ora chiama "flipbook, " rendering digitali che si muovono attraverso più di mille fette sottilissime attraverso una roccia. Conosciuto come "GIRI" o "il macinino, "Lo strumento di imaging e ricostruzione di Princeton Grinding è una risposta al desiderio di lunga data dei geologi di sapere che aspetto hanno le rocce all'interno.

"Per sempre, da Darwin, le persone hanno cercato di capire come appaiono i fossili in 3D, quando sono incastonati nella roccia ed è difficile tirarli fuori, " Ha detto Maloof. "La gente ha fatto sezioni seriali proprio come in questo modo allora, ma forse non a questa scala, dove avrebbero macinato un po' di roccia, Disegnalo, macinare un po' di più, Disegnalo. ... Può richiedere molto tempo."

Entra GIRI, che può tagliare fette sottili fino a pochi micron (meno dell'1 percento di millimetro) e può funzionare 24 ore al giorno per settimane e settimane. Poiché ogni fetta impiega circa 90 secondi per il taglio e l'immagine, i ricercatori devono scegliere tra velocità e scala. La maggior parte degli esemplari che Maloof e Mehra hanno ripreso sono tagliati in fette da 30 micron, circa un terzo dello spessore di un capello umano. Un tipico pollice di spessore, 1, Il campione da 500 fette richiede circa un giorno e mezzo per macinare e visualizzare; durante questo periodo, l'operatore deve sostituire i liquidi della macchina e pulire i tergicristalli (che puliscono la superficie dopo ogni taglio) una sola volta.

"Il processo è distruttivo, " disse Maloof. "Ossa di dinosauro, campioni lunari:ci sono alcuni esemplari che le persone hanno meno probabilità di darci. Non ci ha davvero fermato, perché la maggior parte dei campioni non sono preziosi. Cloudina, ce ne sono un'infinità di miliardi, non potremmo mai macinarli tutti."

GIRI può produrre un rendering 3D di qualsiasi oggetto solido, indipendentemente dal fatto che abbia o meno le differenze di densità necessarie per un'efficace microtomografia computerizzata a raggi X (solitamente nota come TC a raggi X o Micro TC). Inoltre, perché stai scattando una fotografia ad altissima risoluzione con ogni fetta, vedi sempre la roccia stessa, non solo il modello di densità che il telerilevamento può fornire.

"È distruttivo ovviamente, questo è lo svantaggio, ma la cosa bella è che puoi vedere fotografie e fare osservazioni dirette, " Maloof. "Questo è ciò che mi ha cambiato così la vita:mi piace che non sia un modello. Puoi solo vederlo. Su ogni fetta data, se trovi qualcosa di eccezionale, puoi semplicemente trovare la fetta e dire, 'Che aspetto aveva?' ...Siamo in un tour virtuale all'interno, piuttosto che guardare le forme d'onda e cercare di interpretarle."

E mentre il GIRI polverizza il campione, conserva ogni dettaglio nelle sue immagini ad alta risoluzione, Maloof ha detto, che probabilmente lo rende meno distruttivo di altri approcci. Conserva anche le informazioni strutturali che rivelano come si sono formate le rocce. "Quando le persone hanno tentato di ottenere informazioni 3D da rocce come questa che sono opache ai raggi X, hanno sempre cercato di dissolvere il materiale. Ma poi perdi tutte le informazioni sul posto. Non sai come sono cresciuti. Non hanno alcuna relazione tra loro. E non sai come sono collegati a parti forse più piccole o meno resistenti. Puoi preferenzialmente dissolvere l'ornamento o altri dettagli chiave. Quindi questo è un modo per tenerli nel loro habitat mentre cercano ancora di capire che aspetto avessero".

Negli anni trascorsi da quando Maloof ha riunito il GIRI, lui e il suo team di ricerca hanno apportato miglioramenti fisici. Questi includono la riprogettazione e la sostituzione dell'alloggiamento della fotocamera, nonché il meccanismo per pulire e preparare la superficie della roccia per la fotografia dopo ogni rettifica. Hanno anche installato monitor per la temperatura e l'umidità per registrare le condizioni durante ogni fotografia. I ricercatori hanno anche ridotto il tempo di macinatura per fetta da sette minuti a 90 secondi. I maggiori cambiamenti, anche se, hanno migliorato il software per eseguire la macchina e analizzare l'output.

Utilizzando una raccolta di script MATLAB interattivi e funzioni Applescript, il computer di controllo può ora inviare e ricevere segnali dal macinino, far scattare l'otturatore, e verificare l'acquisizione dell'immagine, tutto mentre GIRI è in funzione, disse Mehra.

"Da zero, Akshay ha progettato soluzioni di apprendimento automatico per rendere il processo di segmentazione dell'immagine, differenziando i fossili dalla matrice, cemento, eccetera., in ogni sezione, automatizzata e affidabile, " ha detto Maloof. "Ha sviluppato tecniche che alla fine saranno importanti per qualsiasi applicazione tomografica, compresa la TC a raggi X. Akshay ha anche sviluppato modi per effettuare misurazioni quantitative nei volumi 3D ricostruiti. Saresti sorpreso di quanto la modellazione 3D là fuori porti solo alla visualizzazione e all'interpretazione qualitativa, mentre Akshay misura effettivamente le dimensioni, forma e l'orientamento 3D di queste creature."

Utilizzando il software che ha sviluppato, "Possiamo misurare direttamente questi esemplari di Cloudina, " disse Mehra. "Possiamo misurare direttamente in quali direzioni si piegano i tubi, quali sono i loro diametri, quali sono le loro curvature - nessuno di loro è effettivamente dritto - e in base a tali informazioni, possiamo determinare se sono in situ o non in situ."

Mehra ha anche progettato reti neurali per identificare i tipi di roccia solo per le loro proprietà visive:colore e consistenza. Dopo che l'utente ha definito quali "classi" sono presenti in una manciata di immagini dallo stack - fossile contro matrice, Per esempio, o i minerali chiave in una roccia metamorfica:la rete può quindi prevedere se un pixel appartiene a una determinata classe con una precisione superiore al 90%.

E con tutto ciò, Egli ha detto, studenti universitari e laureati in genere possono essere formati per eseguire GIRI in circa un giorno.

Scienziati di tutto il mondo hanno contattato Maloof e Mehra per chiedere informazioni virtuali, visite visive all'interno dei propri esemplari. I paleontologi sperano di esaminare le delicate strutture della prima vita sulla Terra, la vasta gamma di prime creature sgusciate, il primo pesce, le prime creature terrestri, la struttura interna di ammoniti e altri organismi con sistemi di galleggiamento interni, e persino ossa di dinosauro. Scienziati planetari hanno iniziato a esaminare i meteoriti con il GIRI per osservare minuscoli granelli chiamati condrule che contengono suggerimenti su come si sono formati i pianeti. Gli ingegneri stanno testando possibili rocce serbatoio per il sequestro del carbonio e macinando batterie di grafite per esaminare la struttura 3-D della porosità all'interno del carbonio.

Non c'è davvero limite ai contributi che GIRI può dare, disse Maloof. "Questo rappresenta cinque anni di lavoro. È l'unico strumento al mondo simile."