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Comment la numérisation 3D réinvente la paléoanthropologie

by Les Actualites

Chaque année, de fin mai à début juillet, une équipe mondiale d’étudiants, de paléoanthropologues, de géologues et d’experts de la faune, venus d’Afrique du Sud, d’Australie, des États-Unis et d’Europe, fait le voyage à Drimolen, un système de grottes situé au nord de Johannesburg. en Afrique du Sud et au sein du «berceau de l’humanité». Cette équipe de fouilles de fossiles, dont je fais partie, arrive chaque année avec un espoir renouvelé de dénicher des crânes préservés et complets d’ancêtres humains. À partir du moment où nous descendons de l’avion, nous cherchons sérieusement, anticipant que notre grande pause pourrait se produire à n’importe quelle minute, à l’affût parmi la roche et la terre.

En 2018, une étudiante excavatrice, Samantha Good, est tombée sur le crâne d’un homme adulte Paranthropus robustus, couché à l’envers, avec les dents supérieures visibles. Au cours de la semaine suivante, nos deux meilleures excavatrices, Angeline Leece et Stephanie Baker, ont soigneusement et constamment fouillé le fossile jusqu’à ce qu’il puisse être retiré, encore largement enfermé dans les sédiments. Au cours des deux semaines suivantes, j’ai continué leur excellent travail en enlevant les sédiments restants pour libérer le crâne de son sarcophage sédimentaire vieux de deux millions d’années, et j’ai commencé le processus minutieux de reconstruction des centaines de fragments individuels. Alors que l’espèce Paranthropus robustus, cousin de notre propre lignée, est déjà connu de la science, la découverte d’un crâne aussi complet a précipité une quête pour réévaluer tout ce que nous pensions savoir sur notre parent disparu.

L’une des choses les plus excitantes à propos de la découverte de fossiles humains est qu’ils offrent l’opportunité d’aborder des questions scientifiques sur nos propres origines communes auxquelles il n’était pas possible de répondre auparavant. Dans le cas du nouveau Paranthropus robustus crâne, étiquetés DNH 155, ces nouvelles questions étaient toutes centrées sur le rythme et le mode de fonctionnement de la microévolution humaine – de petits changements au sein d’une espèce – en réponse à un climat en évolution il y a deux millions d’années.

La théorie de Darwin de l’évolution graduelle par sélection naturelle prédit que les populations changeront avec le temps, mais nous avons rarement la résolution de «voir» comment ces changements se sont produits il y a si longtemps. Pour le dire autrement, nous avons déjà une excellente perspective de zoom arrière sur l’histoire de l’évolution humaine, mais lorsque nous zoomons pour évaluer des changements à plus petite échelle, l’image devient très pixelisée et difficile à voir. La découverte du crâne DNH 155 nous fournit effectivement un instantané étroit mais à haute résolution des changements microévolutionnaires à petite échelle qui se sont produits entre différentes populations séquentielles.

Fouiller un fossile, c’est un peu comme déballer un cadeau: vous n’êtes jamais entièrement sûr de ce que vous obtiendrez. Dans le cas du crâne DNH 155, «l’enveloppement» était des sédiments de grotte vieux de deux millions d’années et le «déballage» un processus minutieux et précaire qui a pris des semaines. Malgré cela (et un peu comme un cadeau), notre équipe avait de bonnes raisons de soupçonner dès le premier jour que nous allions collectivement avoir le privilège de découvrir quelque chose de très spécial. Cependant, le problème de l’archéologie et de la paléoanthropologie est que le fait de fouiller un fossile ou un artefact est intrinsèquement destructeur. Les sédiments renfermant de telles découvertes peuvent nous en dire long sur l’âge et le contexte des fossiles eux-mêmes, et nous devons donc inventer des moyens innovants de préserver ces archives.

La situation avec le crâne DNH 155 était encore plus complexe car les ancêtres humains fossiles sortent rarement du sol en un seul morceau. En fait, le crâne DNH 155 était en plusieurs centaines de morceaux, certains plus petits que l’ongle rose moyen, et chaque morceau était incroyablement fragile. Puisqu’il n’est pas possible de fouiller (et donc de détruire le contexte d’origine) d’un fossile deux fois, il est important de bien faire les choses du premier coup. Pour cette raison, les scanners 3D ont changé la donne.

CONSTRUCTION NUMÉRIQUE EN COURS

Mon travail principal sur place est de reconstruire des fossiles, c’est pourquoi j’ai été chargé de monter le crâne DNH 155. Il a fallu environ une semaine pour retirer complètement les fragments de crâne et tous les sédiments collant les morceaux ensemble de leur lieu de repos d’origine dans la carrière principale de Drimolen. Comme chacun des quelque 300 fragments a été minutieusement retiré, ils ont été numérisés avec un Artec Space Spider, un scanner 3D portable professionnel. Le scanner émet des motifs de lumière qui se déforment en fonction de la géographie de l’objet qu’il frappe et qui rebondissent vers le scanner – comme une chauve-souris à l’aide d’un sonar, mais dans ce cas, c’est la lumière plutôt que le son qui rebondit d’avant en arrière. Cette technologie a été utilisée pour créer des enregistrements numériques à haute résolution de chaque morceau de l’emplacement du crâne dans le sédiment au cas où des morceaux seraient délogés de manière inattendue.

La première phase de reconstruction a été achevée en assemblant manuellement les pièces. Mais, même après une reconstruction manuelle, certains éléments du crâne ne pouvaient pas être placés car le point de contact était trop petit ou une infime partie des bords avait été perdue. Dans ces cas, le logiciel Artec a été utilisé pour situer numériquement les pièces les unes par rapport aux autres. Plus précisément, la face du DNH 155 ne peut pas être fixée en toute sécurité au reste du crâne. Cette fusion a été réalisée numériquement. Bien qu’il aurait pu être collé, joindre les pièces de cette manière aurait été risqué et aurait probablement causé des dommages permanents au fossile. La reconstruction publiée du crâne DNH 155 n’aurait pas été possible sans la technologie 3D, ce qui aurait porté un coup dur à la capacité d’autres chercheurs à évaluer le fossile à l’avenir.

DÉMOCRATISER LES DONNÉES FOSSILES

La reconstruction n’était qu’une partie du programme de recherche destiné à révéler les secrets de ce crâne rare. De nombreux chercheurs qui travaillent sur les fossiles d’Afrique du Sud ne peuvent pas se rendre à Johannesburg pour travailler sur les originaux. Cela est particulièrement vrai pour les chercheurs qui ne sont pas basés dans des institutions riches et pour les étudiants à court d’argent en général. C’est pour cette raison que l’équipe Drimolen a investi des capitaux importants pour numériser le crâne DNH 155 et la majeure partie de l’assemblage fossile de Drimolen. En tant que Ph.D. étudiant moi-même, je suis particulièrement intéressé par le potentiel des scanners 3D de haute qualité tels que le Space Spider pour démocratiser la recherche en permettant un accès gratuit et facile à des données de qualité recherche. Bien que les autorisations et l’accès à ces données soient contrôlés par l’Université du Witswatersrand (dans le cas des fossiles de Drimolen), notre intention ultime est de partager nos données avec des chercheurs, en particulier des chercheurs en début de carrière, qui poursuivent un sujet lié à la Fossiles d’hominidés sud-africains.

La paléoanthropologie a une histoire d’être une discipline combative et souvent d’exclusion. Je crois que la technologie 3-D et les données hautement portables qu’elle génère ont la capacité de contribuer à rassembler une nouvelle génération de chercheurs et de faciliter des collaborations qui auparavant n’auraient pas été possibles. Il y a vingt ans, le paléoanthropologue Gerhard Weber a appelé à une telle révolution. Nous n’en sommes pas encore tout à fait là, mais nous progressons.

Ceci est un article d’opinion et d’analyse.

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