Utiliser les scanners Artec 3D pour découvrir la taille réelle du thylacine aujourd’hui éteint

23 févr. 2021

Par Matthew McMillion

Des millions d’années d’évolution avaient transformé le thylacine en spécialiste de la survie. Plus grand marsupial carnivore existant, le thylacine s’était fait sa propre place écologique unique. Mais les premiers colons sont ensuite arrivés.

Le chef de l’équipe de recherche Douglass Rovinsky en train de scanner le crâne d’un thylacine avec Artec Space Spider au Queen Victoria Museum & Art Gallery

À peine quelques décennies plus tard, à partir du début des années 1830 et au cours du siècle suivant, des milliers de thylacines, souvent appelés « tigres de Tasmanie », ont été délibérément exterminés par des fermiers et des chasseurs dans le cadre d’un vaste programme de primes. Jusqu’à ce qu’il n’en reste plus qu’un.

Le dernier thylacine connu a été capturé dans la nature et a passé les trois dernières années de sa vie dans la cage d’un zoo. Puis, par un matin d’hiver, Benjamin, le dernier représentant de son espèce, est mort après avoir été enfermé à l’extérieur de son abri pendant toute une nuit. C’était en septembre 1936. À peine 59 jours plus tôt, la Tasmanie avait enfin accordé au thylacine un statut de protection.

Création numérique d’un thylacine par le chercheur et artiste numérique Damir Martin

Au cours des nombreuses années ayant précédé ce triste matin, toutes sortes d’histoires mensongères et exagérées sur la supposée méchanceté du thylacine se sont répandues comme une traînée de poudre, y compris des récits sur sa force enragée, sa capacité à résister aux coups de fusil, voire à vider entièrement ses victimes de leur sang, etc.

À la même époque, alors que les thylacines étaient toujours parmi nous, parcourant la Tasmanie, les chercheurs ont échoué à l’étudier de façon approfondie. Aujourd’hui encore, moins d’un siècle après la mort de Benjamin, et malgré un intérêt considérable pour l’animal, les scientifiques ignorent toujours certains faits et détails sur lui.

Création numérique d’un couple de thylacines par Damir Martin

Ces détails incluent le régime alimentaire du thylacine, ses habitudes de reproduction, son mode de chasse, sa façon de se déplacer, ses interactions avec son environnement, et même son poids. La masse corporelle d’un animal est l’un des aspects les plus fondamentaux à déterminer si vous souhaitez l’étudier et acquérir une connaissance scientifique à son sujet. Cela se résume à de la chimie et à de la physiologie élémentaires.

Quelle quantité d’énergie brûlait-il ? Retenait-il bien la chaleur ? Avec quelle rapidité digérait-il la nourriture ? Et à quelle fréquence devait-il manger ? Quelles sortes d’animaux chassait-il ? À quel point prospérait-il dans son environnement ? Pour répondre à ces questions avec un niveau de certitude élevé, nous devons d’abord connaître le poids du thylacine.

La science est toujours bâtie sur le socle d’autres sciences. Autrement dit, à moins d’acquérir une compréhension précise et exacte d’un « Concept A », non seulement continuerons-nous à nous méprendre sur le « Concept A », mais nous serons également incapables de comprendre tout ce qui constitue la base de ce concept.

Création numérique d’un couple de thylacines par Damir Martin

Au fil des décennies de recherches sur le thylacine, plusieurs scientifiques ont attiré l’attention sur l’absence d’une estimation précise de la masse corporelle de l’animal. Rien n’a toutefois été ensuite entrepris pour combler cette lacune. Selon une estimation souvent citée, les thylacines pesaient entre 25 et 29 kilogrammes, mais personne n’était sûr de ces chiffres.

Une autre caractéristique du thylacine à déterminer était s’il était une exception ou non à ce qu’on appelle le principe des « coûts du régime carnivore ». Il s’agit essentiellement d’un seuil énergétique décrivant comment les carnivores d’environ 14 kg ou plus légers ont tendance, par nécessité, à se nourrir de proies plus petites qu’eux.

Les carnivores d’environ 21 kg ou plus lourds, tels les loups et les jaguars, s’en prennent, quant à eux, habituellement à des proies de taille identique ou plus grandes. Les carnivores dont le poids oscille entre 14 et 21 kg, les renards et les chats sauvages par exemple, se concentrent en général sur des proies plus petites, mais peuvent occasionnellement attaquer des animaux plus lourds.

Création numérique d’un thylacine par Damir Martin

Sans connaître précisément la fourchette de poids réelle du thylacine, cet aspect et plusieurs autres étaient tout simplement impossibles à déterminer scientifiquement avec le moindre niveau de confiance.

Conscient de ce manque crucial, Douglass Rovinsky, doctorant à l’université Monash, et une équipe de trois autres chercheurs, dont le Dr Justin W. Adams, se sont lancés dans un projet qui résoudrait ce problème.

Les détails du projet ont été publiés dans la revue scientifique Proceedings of the Royal Society B, sous le titre « Le thylacine violait-il le principe des coûts du régime carnivore ? Masse corporelle et dimorphisme sexuel de l’emblématique marsupial australien. »

Rovinsky explique l’importance du projet : « Plus nous avons de connaissances sur le thylacine, ou sur n’importe quel autre animal éteint, mieux nous pouvons comprendre comment les animaux encore en vie aujourd’hui réagiront aux changements environnementaux qui surviennent à une vitesse alarmante mondialement et localement. »

Ces recherches allaient leur faire parcourir le monde et les conduire à des musées et des institutions, dont la Smithsonian et beaucoup d’autres d’ouest en est, où ils travailleraient directement avec les quelques thylacines encore observables.

Rovinsky et son équipe ont rapidement compris que la régression linéaire, la méthode traditionnelle d’estimation de la masse corporelle, appliquée à partir des mesures des dents d’un animal, était la plupart du temps trop imprécise pour étudier les animaux éteints.

Pour que cette méthode soit précise, un parent de l’animal lui ressemblant doit être encore en vie. Dans le cas du thylacine, son parent vivant le plus proche est le numbat, une petite créature à fourrure pesant 500 grammes et se nourrissant de termites. Il est tout simplement impossible d’établir la moindre comparaison proportionnelle entre les deux animaux.

Rovinsky et son équipe ont décidé de combiner les résultats de multiples méthodes d’estimation de la masse corporelle, notamment : la régression linéaire des dents ainsi que des os des pattes supérieures, la construction d’une enveloppe convexe autour d’un squelette de thylacine scanné en 3D, puis la sculpture de représentations réalistes d’un thylacine sur un scan numérique, et, enfin, le pesage numérique des animaux empaillés scannés et des thylacines sculptés (sur les mêmes squelettes scannés ayant permis de fabriquer les enveloppes convexes).

Rangée du haut à partir de la gauche : scan d’un squelette de thylacine avec Artec Leo & modèle volumétrique à enveloppe convexe construit sur le squelette pour le pesage numérique
Rangée du bas : Modèles 3D volumétriques sculptés d’un thylacine sur le squelette (avec et sans texture) utilisés pour le pesage numérique

Afin de mener à bien cet immense projet, en amont des nombreuses étapes d’analyses, des centaines de thylacines devaient être scannés en 3D et transformés en modèles 3D extrêmement précis permettant des mesures dont l’exactitude ne pourrait être mise en doute.

Certains défis rencontrés par Rovinsky et son équipe étaient d’ordre logistique : les spécimens étaient dispersés dans 18 musées et instituts différents, d’un musée local à Melbourne à divers musées en Australie et en Tasmanie, en passant par plusieurs autres situés aux États-Unis et à travers l’Europe et le Royaume-Uni.

Afin de numériser les thylacines et d’analyser leur masse corporelle pendant ces voyages, Rovinsky et Adams ont utilisé Artec Space Spider, un scanner 3D portable léger et à la précision submillimétrique. Les deux chercheurs ont visité séparément les musées et institutions et scanné des centaines de spécimens : os, crânes, squelettes complets, thylacines empaillés, ainsi qu’un thylacine entièrement préservé.

Le Dr Justin W. Adams en train de scanner un spécimen femelle préservé de thylacine avec Artec Space Spider au Musée d’histoire naturelle suédois

Avant même que le projet ne commence, Rovinsky et Adams ont rejeté les méthodes traditionnelles utilisant des pieds à coulisse et des instruments de mesure, ainsi que des méthodes plus modernes telles que la GDI et la photogrammétrie. Ils ne disposaient que de peu de temps dans chaque musée, sans parler des risques inutiles posés par une manipulation excessive des spécimens.

Les méthodes susmentionnées auraient été extrêmement chronophages et auraient contraint le personnel des musées à superviser les opérations chaque jour pendant de nombreuses heures. Les résultats avaient en outre peu de chances de correspondre à ceux obtenus via le scan 3D avec Artec Space Spider, et encore moins de les surpasser.

L’utilisation des méthodes traditionnelles implique de sans cesse manipuler et reposer les spécimens, ce qui risque de les endommager. Artec Space Spider permet une acquisition des données précise jusqu’à 0,05 mm et des dizaines de fois plus rapide que les autres méthodes, avec très peu, voire aucune manipulation nécessaire.

Le Dr Justin W. Adams au Musée d’histoire naturelle suédois, en train de scanner un spécimen femelle préservé de thylacine en 3D submillimétrique avec Artec Space Spider

Se souvenant de ses précédentes expériences, le personnel du musée était, d’après Rovinsky, « super enthousiaste » en raison des brèves périodes de scan nécessaires et du risque extrêmement faible pour les spécimens. Ces deux éléments signifiaient que les employés ne seraient distraits que quelques minutes de leur travail habituel. Débordant de curiosité, les conservateurs et les employés des musées sont toutefois fréquemment restés pour observer Space Spider en action.

« Ils étaient très impressionnés par la rapidité et la facilité avec lesquelles Space Spider travaillait. En effet, à la différence d’autres chercheurs qui n’utilisent pas Space Spider, nous avions besoin de trois fois rien pour accomplir notre travail. Nous n’avions pas besoin d’un grand espace, ni d’un éclairage contrôlé, ni de beaucoup de leur temps », commente Rovinsky.

Concernant la surprise du personnel des musées avant de voir Space Spider en action, Rovinsky confie : « Quand ils nous donnaient une boîte de 12 spécimens, nous leur disions que nous aurions terminé en 2 heures et leur demandions quand nous pourrions recevoir les 12 suivants. Ils sont habitués à ce que la collecte des données prenne beaucoup plus de temps. »

Avec le temps, Rovinsky a perfectionné son processus de scan des animaux avec Space Spider. Lorsqu’il scanne un objet simple, tel que l’os de la partie supérieure de la patte d’un loup ou d’un thylacine, « c’est relativement simple et rapide, et cela ne prend que quelques minutes par spécimen. Je numérise en général tout en 3 scans. Je pose l’objet sur mon petit plateau tournant portable et le scanne pendant deux révolutions. Je vise environ 400 clichés par passage. Puis je retourne l’objet et recommence. »

Le chef de l’équipe de recherche Douglass Rovinsky en train de scanner le crâne d’un thylacine avec Artec Space Spider au Queen Victoria Museum & Art Gallery

En ce qui concerne les crânes, certains sont assez simples à scanner, tandis que d’autres sont plus compliqués à scanner entièrement. « En particulier les crânes plus grands, qui peuvent nécessiter jusqu’à 9 scans, explique Rovinsky. Les os maxiliaire et zygomatique, les orbites, etc. sont les plus difficiles à atteindre et à scanner, et exigent souvent plusieurs scans pour être numérisés entièrement. »

Rovinsky effectue toujours le traitement des scans dans Artec Studio après avoir quitté le musée. « Je me charge plus tard de l’édition et de la fusion, explique-t-il. Je me suis habitué à fonctionner ainsi, pour perturber le moins possible le personnel du musée. Quand je suis devant la collection, je scanne simplement tout ce dont j’ai besoin, puis je m’en vais. Ensuite seulement je m’occupe du traitement des scans. »

Et de poursuivre : « Il me suffit de prendre Space Spider et, en une après-midi, je scanne complètement une vingtaine de spécimens. Autrement dit, quand je pars en voyage pour collecter des données, quelques semaines plus tard, je rentre chez moi avec des scans de centaines de spécimens incroyablement nets et précis, et une quantité de détails bien plus que suffisante pour accomplir notre travail. »

Rovinsky explique son travail dans Artec Studio : « J’aligne d’abord manuellement mes scans, puis je fais un enregistrement global, uniquement avec la géométrie. Après quoi j’effectue une fusion nette, et je choisis la résolution en fonction de la taille de l’objet. Pour les objets de la taille d’une tête de chien ou plus petits, je les fusionne en général à 0,1. S’ils sont plus grands, je les fusionne à 0,2. »

« Je laisse ensuite tourner une ou deux fois l’algorithme de lissage, continue-t-il. Puis, je fais une simplification rapide du maillage jusqu’à 600 000 triangles. Même 600 000 triangles sont plus que suffisants. Il y a bien sûr des différences de résolution entre un crâne de 600 000 triangles et un crâne d’1,5 million de triangles, mais elles importent peu en paléontologie. »

Lors d’une phase ultérieure du projet, Rovinsky a coopéré avec Thinglab, partenaire certifié Or d’Artec 3D à Melbourne, pour scanner des spécimens entiers de thylacines au Tasmanian Museum and Art Gallery avec Artec Leo, un scanner 3D doté d’un écran tactile intégré et 100 % sans fil. Ces scans ont permis de numériser plusieurs squelettes de thylacines et des animaux empaillés du musée. Les squelettes numériques ont ensuite été utilisés pour construire des modèles à enveloppe convexe et ont servi de base à des sculptures numériques.

Ben Myers de Thinglab en train de scanner le squelette d’un thylacine avec Artec Leo au Tasmanian Museum and Art Gallery

Pour reprendre les propos de Ben Myers, directeur du scan 3D chez Thinglab, « nous adorons Leo et l’avons utilisé sur une série de projets, à l’instar de nos clients. Il a de nombreuses fonctionnalités impressionnantes. La technologie de lumière VCSEL change la donne en matière d’enregistrement des surfaces qui étaient problématiques par le passé. »

Modèle 3D d’un squelette de thylacine scanné au Tasmanian Museum and Art Gallery avec Artec Leo

Et de poursuivre : « Le suivi est incroyable et permet à l’utilisateur de se déplacer autour des objets – même quand ceux-ci ont des géométries complexes –, et de numériser aisément la moindre surface. Bien entendu, l’absence de câbles et l’écran intégré rendent l’ensemble du processus de scan bien plus simple et efficace. »

Ben Myers de Thinglab en train de scanner un spécimen empaillé de thylacine avec Artec Leo au Tasmanian Museum and Art Gallery

Pour une des étapes finales du projet, Rovinsky s’est tourné vers Damir Martin, artiste numérique et membre de l’équipe. Adepte de la représentation méticuleuse du monde paléolithique, Martin a entrepris de créer les modèles 3D de thylacines les plus réalistes à ce jour.

Soulignons qu’avant ce projet, Martin avait déjà pu étudier le thylacine en profondeur et créé de nombreuses images époustouflantes de l’animal dans son environnement naturel en Tasmanie.

Martin a utilisé les scans des squelettes et des animaux empaillés faits par Leo comme base pour son travail. Puis, grâce à sa compréhension parfaite du thylacine ainsi qu’aux renseignements fournis par ses collègues, y compris Rovinsky et Adams, il a sculpté numériquement, étape par étape, la musculature et l’apparence extérieure de chaque créature dans ZBrush. Une fois prêts, les modèles ont été pesés numériquement, et les données obtenues à partir de ces mesures ont été rassemblées avec les autres estimations de la masse corporelle.

Modèle 3D anatomiquement précis d’un thylacine, créé par Damir Martin

Martin commente son travail : « J’ai toujours été passionné par les animaux éteints. Le thylacine est un animal spécial pour une multitude de raisons. Son apparence est mystérieuse et unique. Malheureusement, d’un point de vue artistique, la plupart des restaurations et reconstructions existantes ne transmettent pas les nuances subtiles de l’animal vivant. »

« Mais, grâce à de rares photos et vidéos conservées jusqu’à nos jours, nous savons à quoi ressemblait vraiment le thylacine. Le défi posé par ce projet était un autre élément qui m’attirait. »

Une fois toutes les données issues des calculs de la masse corporelle (à partir de 207 scans de 93 thylacines) réunies, Rovinsky et son équipe ont déterminé que le véritable poids du thylacine était d’environ 19 kg pour les mâles et de 14 kg pour les femelles. Les mâles étaient ainsi 30 % plus imposants que les femelles.

Les estimations de Rovinsky et de ses collègues sur la masse corporelle des thylacines mâles et femelles sont environ 55 % inférieures aux suppositions faites il y a plusieurs décennies. Il était par conséquent évident que le thylacine n’était pas une exception au principe des « coûts du régime carnivore » étant donné qu’il appartenait à la catégorie des carnivores pesant entre 14 et 21 kg et qui se nourrissent généralement de créatures plus petites qu’eux mais peuvent occasionnellement s’attaquer à des proies plus grosses.

Ce projet réussi fait partie d’une recherche plus large sur la biologie évolutive du thylacine, qui inclut l’étude présente portant sur sa masse corporelle et s’étend à des recherches plus poussées sur son régime alimentaire, sa locomotion, et sa biologie dans son ensemble à l’aide d’échantillons de données 3D recueillis à travers le monde.

Adams donne son avis sur l’importance du scan 3D pour ce genre de travaux : « Les paléontologues se rendent enfin compte que les méthodes à trois dimensions fournissent systématiquement une estimation de masse corporelle bien plus précise. Elles fonctionnent simplement mieux car, même si vous effectuez vos mesures numériquement sur l’ordinateur, vous mesurez la masse de la forme de l’objet, et n’essayez pas de tracer deux variables sur une ligne de régression. »

« Les technologies 3D révolutionnent nos connaissances sur l’estimation de la taille d’animaux disparus. Je pense qu’à l’avenir, nous verrons beaucoup plus souvent ces technologies être utilisées. On ne peut pas sous-estimer l’importance de la facilité et de la rapidité offertes par Artec Space Spider ou Leo pour la collecte de ce genre de données précises. »

Rovinsky commente le rôle crucial joué par ces données : « La difficulté vient du fait que vous avez absolument besoin de suffisamment de données pour générer une représentation 3D concluante de l’organisme, ce qui, pour la majorité des paléontologues, est tout bonnement impossible. »

« Je n’aurais pas pu atteindre un tel degré de précision si je n’avais eu qu’un nombre limité de spécimens à mesurer et si je n’avais pas eu accès à des squelettes complets. La majorité des paléontologues n’ont pas même un os complet avec lequel travailler, alors ne parlons pas d’un squelette entier. Les scanners Artec nous ont permis de collecter facilement les énormes quantités de données nécessaires sur les spécimens. »

Rovinsky souligne l’importance du projet : « Plus nos connaissances sur le thylacine correspondront à l’animal incroyable qu’il était réellement, mieux ce sera. Car, en définitive, toutes les données et les observations, toutes nos connaissances, sont, au mieux, de deuxième main, étant donné que le thylacine n’est malheureusement plus parmi nous aujourd’hui. »

Et de poursuivre : « Toutes nos recherches et données sont filtrées à travers nos observations, nos interprétations, nos mesures, etc. Il est donc encore plus crucial pour nous de connaître quelque chose d’aussi fondamental que la masse corporelle de l’animal. Car cet élément en apparence mineur influence une quantité innombrable de recherches que nous élaborons à partir de notre compréhension de ce facteur. »