普林斯頓地質(zhì)學(xué)家通過(guò)巖石創(chuàng)建3-D虛擬之旅來(lái)解開(kāi)化石之謎

普林斯頓地球科學(xué)家AdamMaloof和A??kshayMehra借助工業(yè)研磨機(jī)和一些創(chuàng)意添加物，可以將巖石轉(zhuǎn)變成三維數(shù)字景觀。在這里，2017屆的Mehra(指點(diǎn))和AdrianTasistro-Hart準(zhǔn)備收集Cloudina化石樣本，并討論納米比亞ZebraRiverFarm含Cloudina斑塊礁的幾何形狀。

你有沒(méi)有想過(guò)你可以在巖石中旅行?這聽(tīng)起來(lái)更像是魔術(shù)而不是科學(xué)，但普林斯頓的科學(xué)家們已經(jīng)找到了一種方法使其(幾乎)成為現(xiàn)實(shí)。

借助工業(yè)研磨機(jī)和超高分辨率相機(jī)，普林斯頓地球科學(xué)家AdamMaloof和A??kshayMehra可以解構(gòu)巖石樣本并創(chuàng)建科學(xué)家可以從任何角度觀察的三維數(shù)字版本。此外，他們還開(kāi)發(fā)了軟件，允許計(jì)算機(jī)在沒(méi)有人為偏見(jiàn)的情況下分割圖像和隔離對(duì)象。

利用這項(xiàng)技術(shù)結(jié)合詳細(xì)的實(shí)地觀察，他們檢查了大約5.45億年前生活在世界大部分地區(qū)的一種薄殼生物Cloudina，普遍認(rèn)為它是有史以來(lái)第一個(gè)“生物礦化器”，一種可以創(chuàng)造殼或骨頭以及軟組織。

雖然之前的研究人員認(rèn)為Cloudina是造礁者，但Maloof和Mehra能夠利用他們對(duì)這種生物精致的管狀結(jié)構(gòu)的3-D重建得出結(jié)論，這些化石是從其他地區(qū)運(yùn)來(lái)的，這表明Cloudina只起到了在最早的珊瑚礁系統(tǒng)中起次要作用。他們的工作出現(xiàn)在最新一期的美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上。

“我以為進(jìn)去后我們會(huì)了解到關(guān)于這個(gè)令人驚嘆的第一個(gè)生物礦化器和第一個(gè)造礁者的各種信息，但事實(shí)證明Cloudina更像是一個(gè)珊瑚礁居民，”地球科學(xué)副教授Maloof說(shuō)。他現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)向了下一個(gè)最古老的潛在造礁者，一種生活在大約5.2億年前的名為Archaeocyathid的海綿。

事實(shí)證明，Cloudina難以進(jìn)行詳細(xì)研究，因?yàn)樗嗳醯耐鈿ぬ嗳?，無(wú)法從周?chē)氖規(guī)r中物理提取，而且無(wú)法使用傳統(tǒng)的X射線斷層掃描技術(shù)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程成像，這需要感興趣的物體與周?chē)牧现g的密度差異.由于Cloudina在化學(xué)上與石灰石相同，因此X射線實(shí)際上看不到這些化石。

PrincetonGrindingImagingandReconstructionInstrument(GIRI)包括一個(gè)工業(yè)研磨機(jī)、各種成像系統(tǒng)、燈和一個(gè)用于將樣品固定到位的強(qiáng)力磁鐵。在金剛石或硅膠輪去除幾微米后，樣品移到高分辨率圖片上，然后移回。

大約五年前，Maloof和SituStudio的合作者BradSamuels組裝了這項(xiàng)技術(shù)，創(chuàng)造了他現(xiàn)在所說(shuō)的“活頁(yè)簿”，即在巖石上千層薄片中移動(dòng)的數(shù)字渲染圖。被稱(chēng)為“GIRI”或“研磨機(jī)”的PrincetonGrindingImagingandReconstructionInstrument是對(duì)地質(zhì)學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)想知道巖石內(nèi)部是什么樣子的渴望的回應(yīng)。

“自達(dá)爾文以來(lái)，人們一直試圖弄清楚化石在3-D中的樣子，當(dāng)它們嵌入巖石中并且很難將它們?nèi)〕鰰r(shí)，”Maloof說(shuō)。“當(dāng)時(shí)人們以這種方式制作連續(xù)部分——但也許不是這種規(guī)模——他們會(huì)磨掉一點(diǎn)石頭，畫(huà)出來(lái)，再磨一點(diǎn)，畫(huà)出來(lái)。……這可能非常耗時(shí)。”

輸入GIRI，它可以切割薄至幾微米(不到1%毫米)的切片，并且可以連續(xù)數(shù)周每天24小時(shí)運(yùn)行。由于每個(gè)切片需要大約90秒來(lái)切割和成像，研究人員必須在速度和規(guī)模之間做出選擇。Maloof和Mehra拍攝的大部分標(biāo)本都被切成30微米的薄片，大約是人類(lèi)頭發(fā)厚度的三分之一。一個(gè)典型的一英寸厚的1,500切片樣品需要大約一天半的時(shí)間來(lái)研磨和成像;在此期間，操作員只需更換一次機(jī)器液體并清潔擦拭器(每次切割后清潔表面)。

“這個(gè)過(guò)程是破壞性的，”馬洛夫說(shuō)。“恐龍骨骼、月球樣本——有些標(biāo)本人們不太可能給我們。它并沒(méi)有真正阻止我們，因?yàn)榇蠖鄶?shù)樣品并不珍貴。Cloudina，它們有無(wú)數(shù)個(gè)——我們永遠(yuǎn)不可能把它們?nèi)磕ニ椤?rdquo;

GIRI可以生成任何實(shí)體物體的3D渲染圖，無(wú)論它是否具有有效X射線計(jì)算機(jī)顯微斷層掃描(通常稱(chēng)為X射線CT或顯微CT)所需的密度差異。此外，因?yàn)槟阍谂臄z每一片的超高分辨率照片，所以你總是看到巖石本身，而不僅僅是遙感可以提供的密度模型。

“這當(dāng)然是破壞性的，這是缺點(diǎn)，但很棒的是你可以看到照片并進(jìn)行直接觀察，”Maloof。“這就是改變我生活的原因：我喜歡它不是模特。你可以看到它。在任何給定的切片上，如果你發(fā)現(xiàn)了一些很棒的東西，你可以找到切片并說(shuō)，“它看起來(lái)像什么?”......我們正在內(nèi)部進(jìn)行虛擬游覽，而不是查看波形并試圖解釋它們。”