Har du någonsin önskat att du kunde resa inuti en sten? Det kan låta mer som magi än vetenskap, men Princeton -forskare har hittat ett sätt att göra det (nästan) sant.

Med en industrikvarn och en superhögupplöst kamera, Princetons geovetenskapare Adam Maloof och Akshay Mehra kan dekonstruera bergprover och skapa tredimensionella digitala versioner som forskare kan titta på från alla vinklar. Dessutom, de har utvecklat programvara som gör att datorn kan segmentera bilder och isolera objekt utan mänsklig fördom.

Med denna teknik i kombination med detaljerade fältobservationer, de undersökte en tunnskalig varelse som levde över stora delar av världen för cirka 545 miljoner år sedan, Cloudina, överens om att vara den första biomineraliseraren någonsin, "en organism som kan skapa ett skal eller ben förutom mjukvävnad.

Medan tidigare forskare hade hävdat att Cloudina var revbyggare, Maloof och Mehra kunde använda sin 3D-rekonstruktion av varelsens känsliga rörliknande strukturer för att dra slutsatsen att fossilerna hade transporterats från andra områden, vilket tyder på att Cloudina endast spelade en mindre roll i de tidigaste revsystemen. Deras arbete visas i det aktuella numret av Förfaranden från National Academy of Sciences .

"Jag trodde att vi skulle lära oss alla möjliga saker om denna fantastiska första biomineralisator och första revbyggare, men Cloudina visade sig mer likna en revbor, sa Maloof, docent i geovetenskap. Han har nu vänt fokus till den näst äldsta potentiella revbyggaren, en svamp som heter Archaeocyathid som levde för cirka 520 miljoner år sedan.

Cloudina hade visat sig vara resistent mot detaljerade studier eftersom dess känsliga hölje är för ömtåligt för att extrahera fysiskt från den omgivande kalkstenen, och det kunde inte avbildas på distans med traditionella röntgentomografitekniker, som kräver densitetsskillnader mellan objektet av intresse och det omgivande materialet. Eftersom Cloudina är kemiskt identisk med kalksten, fossilerna var effektivt osynliga för röntgenstrålar.

Möt GIRI

För nästan fem år sedan, Maloof och nd Situ Studio -kollaboratören Brad Samuels sammanställde tekniken för att skapa vad han nu kallar "blädderböcker, "digitala återgivningar som rör sig genom mer än tusen våffeltunna skivor genom en sten. Känd som" GIRI "eller" kvarnen, "Princeton Grinding Imaging and Reconstruction Instrument är ett svar på geologernas långvariga önskan att veta hur stenar ser ut på insidan.

"För alltid-sedan Darwin-har människor försökt ta reda på hur fossiler ser ut i 3D, när de är inbäddade i rock och det är svårt att få ut dem, "Sa Maloof." Människor gjorde serieteckningar precis så här då - men kanske inte i den här skala - där de skulle slipa bort en liten sten, rita det, slipa lite mer, rita det. ... Det kan vara oerhört tidskrävande. "

Ange GIRI, som kan skära skivor så tunna som några mikron (mindre än 1 procent av en millimeter) och kan köra 24 timmar om dygnet i veckor i rad. Eftersom varje skiva tar cirka 90 sekunder att klippa och bilda, forskare måste välja mellan hastighet och skala. De flesta exemplar som Maloof och Mehra har avbildat skärs i skivor på 30 mikron, ungefär en tredjedel tjockleken på ett människohår. En typisk tum tjock, 1, 500-skivprov tar ungefär en och en halv dag att slipa och bilda; under denna tid, operatören behöver byta ut maskinvätska och rengöra torkarna (som rensar ytan efter varje snitt) bara en gång.

"Processen är destruktiv, "Sade Maloof." Dinosaurben, månprover - det finns vissa exemplar som människor är mindre benägna att ge oss. Det har inte riktigt stoppat oss, eftersom de flesta prover inte är värdefulla. Cloudina, det finns zillioner av dem - vi skulle aldrig kunna slipa dem alla. "

GIRI kan producera en 3D-rendering av alla fasta objekt, huruvida den har de densitetsskillnader som behövs för effektiv röntgenberäknad mikrotomografi (vanligtvis känd som röntgen-CT eller mikro-CT). Dessutom, för att du tar ett superhögupplöst fotografi med varje bit, du ser alltid själva stenen, inte bara den densitetsmodell som fjärranalys kan ge.

"Det är naturligtvis destruktivt, det är nackdelen, men det som är så trevligt är att du får se fotografier och göra direkta observationer, ”Maloof.” Det är det som har varit så livsförändrande för mig:jag älskar att det inte är en modell. Du kan bara se det. På en given bit, om du hittar något bra, du kan bara hitta skivan och säga, 'Vad såg det ut som?' ... vi är på en virtuell turné inuti, snarare än att titta på vågformer och försöka tolka dem. "

Och medan GIRI pulveriserar provet, det bevarar varje detalj i sina högupplösta bilder, Maloof sa, vilket utan tvekan gör det mindre destruktivt än andra tillvägagångssätt. Det bevarar också den strukturella information som avslöjar hur stenarna bildades. "När människor har försökt få 3D-information från stenar som denna som är ogenomskinliga för röntgenstrålar, de har alltid försökt lösa upp materialet. Men då tappar du all information på plats. Du vet inte hur de växte. De har ingen relation till varandra. Och du vet inte hur de är relaterade till kanske mindre eller mindre motståndskraftiga delar. Du kan företrädesvis lösa ornamentiken eller andra viktiga detaljer. Så det här är ett sätt att hålla dem i deras livsmiljö samtidigt som de försöker ta reda på hur de såg ut. "

Under åren sedan Maloof monterade GIRI, han och hans forskargrupp har gjort fysiska förbättringar. Dessa inkluderar omdesign och byte av kamerahuset samt mekanismen för att torka och förbereda bergytan för fotografering efter varje slipning. De har också installerat bildskärmar för temperatur och luftfuktighet för att registrera förhållanden under varje fotografi. Forskarna skär också ner malningstiden per skiva från sju minuter till 90 sekunder. De största förändringarna, fastän, har förbättrat programvara för att köra maskinen och analysera utmatningen.

Med hjälp av en samling interaktiva MATLAB -skript och Applescript -funktioner, styrdatorn kan nu skicka och ta emot signaler från kvarnen, aktivera slutaren, och verifiera bildtagning, allt medan GIRI är i drift, Sa Mehra.

"Från botten och upp, Akshay har utformat maskininlärningslösningar för att göra processen med bildsegmentering-att skilja fossiler från matris, cement, etc., i varje bit - automatiserad och pålitlig, "sa Maloof." Han har utvecklat tekniker som i slutändan kommer att vara viktiga för alla tomografiska applikationer, inklusive röntgen CT. Akshay har också utvecklat sätt att göra kvantitativa mätningar i de rekonstruerade 3D-volymerna. Du skulle bli förvånad över hur mycket 3D-modellering där ute bara leder till visualisering och kvalitativ tolkning, medan Akshay faktiskt mäter storleken, form och 3D-orientering för dessa djur. "

Med hjälp av den programvara som han har utvecklat, "Vi kan direkt mäta dessa Cloudina -exemplar, "sa Mehra." Vi kan direkt mäta vilka riktningar rören böjer, vad deras diametrar är, vad deras krökningar är - ingen av dem är faktiskt raka - och baserat på den informationen, vi kan avgöra om de är in situ eller inte in situ. "

Mehra har också utformat neurala nätverk för att identifiera bergarter endast genom deras visuella egenskaper:färg och konsistens. När användaren har definierat vilka "klasser" som finns i en handfull bilder från stapeln - fossil mot matris, till exempel, eller de viktigaste mineralerna i en metamorf bergart - nätverket kan sedan förutsäga om en pixel tillhör en given klass med mer än 90 procents noggrannhet.

Och med allt det här, han sa, studenter och doktorander kan vanligtvis utbildas för att köra GIRI på ungefär en dag.

Forskare från hela världen har nått Maloof och Mehra för att be om virtuella, visuella turer inuti sina egna exemplar. Paleontologer hoppas kunna undersöka de känsliga strukturerna från det tidigaste livet på jorden, det stora utbudet av tidigt skalade varelser, den första fisken, de första markvarelserna, den inre strukturen hos ammoniter och andra organismer med inre flytsystem, och till och med dinosaurieben. Planetforskare har börjat undersöka meteoriter med GIRI för att titta på små korn som kallas kondruller som innehåller tips om hur planeterna bildades. Ingenjörer testar möjliga reservoarbergarter för kolsekvestering och slipar grafitbatterier för att undersöka 3D-strukturen av porositet i kolet.

Det finns verkligen ingen gräns för de bidrag GIRI kan göra, sa Maloof. "Detta representerar fem års arbete. Det är det enda instrumentet i världen som gillar det."