Virtuelle Reise enträtselt Fossilien

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Virtuelle Reise enträtselt Fossilien

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Wollten Sie schon immer einmal durch Gestein reisen? Es klingt eher nach Zauberei als nach Wissenschaft, aber Forscher an der Princeton University haben einen Weg gefunden, diesen Wunsch wahr werden zu lassen.

giri

Wollten Sie schon immer einmal durch Gestein reisen? Es klingt eher nach Zauberei als nach Wissenschaft, aber Forscher an der Princeton University haben einen Weg gefunden, diesen Wunsch wahr werden zu lassen.

Mit einer industriellen Schleifmaschine und einer extrem hoch auflösenden Kamera können die Geowissenschaftler Adam Maloof und Akshay Mehra Gesteinsproben zerlegen und dreidimensionale, digitale Versionen erschaffen, die man aus jedem Winkel betrachten kann. Darüber hinaus haben sie eine Software entwickelt, um ohne menschlichen Einfluss Bilder segmentieren und Objekte isolieren zu können.

Mit diesem Verfahren, kombiniert mit genauen Vor-Ort-Beobachtungen, haben sie ein Lebewesen namens Cloudina untersucht, das vor mehr als 545 Millionen Jahren die Erde besiedelte. Cloudina, aus kegelförmigen dünnen Kalzitröhren aufgebaut, ist der erste „Biomineralisierer“, ein Organismus, der eine Schale oder ein Skelett zusätzlich zum weichen Gewebe herausbildet.

Während Wissenschaftler früher davon ausgingen, dass es sich bei Cloudina um einen Riffbildner handelt, konnten Maloof und Mehra mit einer 3D-Rekonstruktion der zarten Röhrenstrukturen zeigen, dass das Fossil aus anderen Regionen transportiert worden sein musste und damit nur eine untergeordnete Rolle in den frühesten Riffsystemen gespielt hat. Die Arbeit erscheint in der aktuellen Ausgabe von Proceedings of the National Academy of Sciences.

Maloof. Professor für Geowissenschaften, hoffte zunächst, während des Projekts alles Mögliche über diesen erstaunlichen ersten Biomineralisierer und ersten Riffbildner zu erfahren, doch Cloudina hat sich vielmehr als Riffbewohner herausgestellt. Nun wendet er sich dem nächstältesten potenziellen Riffbildner zu, einem Schwamm aus der Gruppe der Archaeocyatha, der vor 520 Millionen Jahren lebte.

Cloudina hat sich detaillierten Untersuchungen widersetzt, weil sich die fragile Außenhülle kaum vom umgebenden Kalkstein trennen lässt. Auch eine indirekte Erkundung per Röntgencomputertomographie war nicht möglich, denn dafür müssen Objekt und umgebendes Material eine unterschiedliche Dichte aufweisen. Da Cloudina aber chemisch dem Kalkstein entspricht, waren die Fossilien für die Röntgenstrahlen unsichtbar.

Treffen mit GIRI

Maloof und Brad Samuels vom Situ Studio haben daher ein Verfahren entwickelt, das auf eine Art „Daumenkino“ hinausläuft, digitale Renderings, die sich durch mehr als tausend wafer-dünne Schichten des Gesteins bewegen. Bezeichnet als „GIRI“, das steht für „Grinding Imaging and Reconstruction Instrument“, soll die Lösung den Geologen die langersehnte Antwort liefern, wie Gestein innen ausschaut.

Seit Darwin haben die Leute sich vorzustellen versucht, wie Fossilien in 3D aussehen, wenn sie im Gestein eingeschlossen und nur schwer dort herauszubekommen seien, so Maloof. Serielle Schliffe wie dieser seien schon früher gemacht worden, aber nicht in diesem Maßstab. Es sei unglaublich zeitraubend gewesen, ein bisschen Gestein abzuschleifen, das Gesehene zu zeichnen — und das wieder und wieder.

GIRI kann dagegen Scheiben mit der Dicke weniger Mikrometer abtrennen, und zwar ununterbrochen über mehrere Wochen hinweg. Da jede Schicht rund 90 Sekunden für Schliff und Bild braucht, müssen die Wissenschaftler zwischen Tempo und Skalierung wählen. Die meisten von Maloof und Mehra aufgenommenen Muster sind in 30-Mikrometer-Schichten geschliffen, ungefähr ein Drittel der Dicke eines menschlichen Haares. Ein typisches mehrere Zentimeter messendes Objekt dauert mit 1‘500 Schnitten etwa anderthalb Tage für Abtragung und Aufnahme. Währenddessen muss der Bediener die Maschinenflüssigkeit erneuern und die Abstreifer für die Reinigung der Oberfläche nur einmal säubern.

Destruktiv, aber alle Details werden virtuell konserviert

Der Prozess sei schon destruktiv, gibt Maloof zu bedenken. Dinosaurierknochen gebe man dafür eher nicht her. Aber die meisten Proben seien nicht kostbar. Von Cloudina gebe es Abermillionen. GIRI kann von jedem soliden Objekt ein 3D-Rendering erzeugen, egal, ob es die für die Tomographie erforderlichen Dichtedifferenzen aufweist. Weil zudem bei jedem Schnitt auch hochaufgelöste Fotos gemacht werden, sieht man immer das Gestein selbst und nicht nur das Dichtemodell, dass distante bildgebende Verfahren liefern können.

Zwar pulverisiert GIRI die Vorlage, aber durch die hochaufgelösten Bilder bleibt jedes Detail virtuell erhalten. Auch wie sich das Gestein gebildet hat, lässt sich erkennen. Wenn man dagegen das Material aus der Umgebung herauslöse, verliere man die In-Situ-Information, so Maloof. Die Beziehungen innerhalb des Gesteins werden gekappt. Mithilfe interaktiver MATLAB-Scripts und Applescript-Funktionen kann der Steuerrechner Signale von der Schleifmaschine empfangen und dorthin senden, den Verschluss auslösen und den Aufnahmevorgang verifizieren, während GIRI arbeitet.

Akshay Mehra habe von Grund auf Lösungen für das maschinelle Lernen entworfen, um den Prozess der Bildsegmentierung, der Unterscheidung von Fossil und Trägersubstanz in jedem Schliff zu automatisieren und verlässlich zu machen, sagt Maloof. Die Verfahren könnten sich sogar für jegliche tomographische Anwendungen als nützlich herausstellen, also auch für CT. Zudem hat Mehra Lösungen entwickelt, um die rekonstruierten 3D-Modelle zu vermessen und nicht nur zu visualisieren oder qualitative Überlegungen anzustellen. Somit kann an den Cloudina-Proben direkt messen, in welche Richtungen sich die Röhrchen neigen, welchen Durchmesser sie haben und wie sie gewölbt sind.

Gesteinstypen über Farbe und Textur unterscheiden

Mehra hat außerdem neuronale Netze entworfen, mit denen sich Gesteinstypen nur durch ihre visuellen Eigenschaften wie Farbe und Textur unterscheiden lassen. Nachdem der Anwender definiert hat, welche „Klassen“ sich in einer Reihe von Bildern aus dem Stapel befinden – zum Beispiel Fossil versus Matrix – oder welche Schlüsselmineralien in einem metamorphen Gestein, kann das Netz mit mehr als 90-prozentiger Genauigkeit vorhersagen, ob ein Pixel der vorgegebenen Klasse angehört.

Paläontologen wollen mit dem neuen Verfahren die feinen Strukturen frühester Lebensformen, die ersten Fische, die ersten Landlebewesen, den inneren Aufbau von Ammoniten und anderen Organismen oder sogar Dinosaurierknochen untersuchen. Andere haben die Analyse von Meteoriten mit GIRI gestartet, um die winzigen Steinkügelchen darin zu betrachten, die Aufschluss über die Planetenentstehung geben. Ingenieure testen mögliche Reservoirgesteine für CO2 und zermahlen graphithaltige Batterien, um die poröse 3D-Struktur im Kohlenstoff zu analysieren.

Publikation:  Akshay Mehra, Adam Maloof, Multiscale approach reveals that Cloudina aggregates are detritus and not in situ reef constructions, Proceedings of the National Academy of Sciences, Ausgabe vom 26. Februar 2018.

Bild: Mit einer industriellen Schleifmaschine und einer extrem hoch auflösenden Kamera können die Geowissenschaftler Adam Maloof und Akshay Mehra Gesteinsproben zerlegen und dreidimensionale, digitale Versionen erschaffen, die man aus jedem Winkel betrachten kann. Photo courtesy of Akshay Mehra and Adam Maloof, Princeton University Department of Geosciences

Video: https://vimeo.com/257586246

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