Dans son « Éloge historique de Charles Louis L’Héritier », lu à la tribune de l’Institut national le 15 germinal de l’an X (5 avril 1801), Georges Cuvier (1769–1832) soulignait, à propos de l’histoire naturelle, que « nulle description ne peut suppléer aux figures », et que « les plus grands talents ne suffisent pas pour faire de bonnes figures, s’ils ne sont dirigés par la science. » À cette époque de la naissance de la paléontologie, la fonction de l’image scientifique était uniquement d’illustrer le discours de la science. Mais Georges Cuvier en avait déjà saisi la dimension originale irremplaçable et, aujourd’hui, l’image peut d’ailleurs constituer le discours. Car l’image est également devenue une donnée factuelle, le point nodal, à partir duquel le raisonnement scientifique s’élabore et se construit.

L’image scientifique est généralement une représentation bidimensionnelle d’un objet ou d’un ensemble d’objets obtenue par les beaux-arts comme le dessin ou la photographie. L’image est alors une simple représentation de ce que l’œil perçoit, avec ou sans l’aide d’instruments optiques (par exemple une photographie de l’étamine d’une marguerite), ou de ce que l’esprit scientifique imagine (par exemple un dessin de la répartition des planètes de notre système solaire).

Les développements et les synergies de différentes sciences (optiques, physiques, physico-chimiques, électroniques, informatiques, des matériaux, etc.) permettent aujourd’hui de visualiser ce que l’œil ne peut voir et, parfois, de révéler ce que l’esprit ne pouvait concevoir. Les progrès en imagerie scientifique, dont bénéficient en priorité les sciences appliquées, en particulier dans le monde médical et industriel, profitent également aux sciences fondamentales, telles que la paléontologie et la paléoanthropologie.

Les nombreuses techniques d’imagerie appliquées en paléontologie et en paléoanthropologie, dont les principales sont présentées dans ce fascicule thématique, reposent principalement sur les principes de la numérisation surfacique et de la numérisation volumique. Ces techniques permettent d’enregistrer et de représenter les informations tridimensionnelles des objets d’étude, alors manipulables et quantifiables virtuellement, qu’ils soient de la taille d’une strie de croissance de l’émail dentaire, ou de la grotte de Lascaux.

La numérisation surfacique est réalisée grâce aux bras de mesure (avec ou sans contact avec l’objet) et aux technologies de mesure par projection de franges de lumière et par laser (sans contact avec l’objet). Ces outils permettent de numériser rapidement la surface d’objets de toutes dimensions. L’un des nombreux avantages de la numérisation surfacique est le possible transport des appareils de mesure auprès de l’objet d’étude. Les applications sont multiples, de la rugométrie (analyse fine des textures de surfaces) à la blocométrie (distribution dimensionnelle des blocs rocheux), et sont principalement utilisées en paléontologie et paléoanthropologie, pour l’étude des données métriques scientifiquement pertinentes (volumes, surfaces, distances, angles, etc.), calculées avec précision et objectivité. Dans ce volume, des exemples seront donnés de mesures de distances morphologiques entre organismes ou au cours du développement d’un même organisme. Ces analyses font souvent appel à la discipline de la morphométrie, géométrique et algébrique, initiée il y a presque un siècle par l’Écossais D’Arcy Thompson, et aujourd’hui en plein essor.

La numérisation volumique, actuellement par tomodensitométrie ou par résonance magnétique nucléaire, permet l’accès à la matière et aux structures internes des objets, sans altération de ces objets. Le vieux rêve de voir l’inaccessible « envers des choses » enfin réalisé, la porte ouverte aux trésors cachés dans les écrins scellés par la matière et le temps. Ce rêve, les paléontologues du siècle dernier l’avaient également. Ils n’hésitaient pas à utiliser l’ingénieuse, mais très fastidieuse technique dite des sections sériées de Sollas, permettant la construction de modèles en cire des structures internes d’un fossile, à partir de la reproduction des structures anatomiques observables sur les coupes (les sections obtenues par sciage ou polissage) réalisées à intervalle régulier sur ce fossile. Les inconvénients majeurs étant le temps nécessaire à la réalisation et surtout la forte dégradation, voire la disparition, de l’objet d’étude. Les rayons X, découverts en 1895 par l’Allemand Wilhelm Röntgen, associés à l’outil informatique, permettent aujourd’hui des acquisitions, par tomodensitométrie, sur des matériaux anciens de tailles et de densités variables, sans aucune altération, ni dégradation de l’objet d’étude en dehors de l’exposition au rayonnement. Le choix des techniques d’acquisition (principalement scanners médicaux, micro- et nano-tomographes conventionnels, lumière synchrotron) est très dépendant des caractéristiques de l’objet d’étude, de la précision des mesures et de la résolution souhaitées, et du type d’application envisagée.

Malgré un usage courant de subsomption ou souvent abusif du terme “3D”, qui favorise facilement les amalgames en tous genres, les sciences d’étude des organismes anciens s’enrichissent donc du lexique émergent des techniques d’imagerie. Y participe dorénavant l’emploi plus approprié, dans la littérature, des expressions nouvelles de “paléontologie augmentée”, de “paléontologie ajoutée” ou de “paléoanthropologie virtuelle” (présentée dans ce volume). En complément, et dans le cadre de cette réflexion, le vocable de paléotomographie permet de mieux définir les contours et les limites de l’investigation tomographique appliquée à l’étude des fossiles. Ce terme de paléotomographie peut être entendu pour l’ensemble des techniques de tomographie appliquées aussi bien au matériel paléontologique que paléoanthropologique ; les paramètres d’acquisition, de traitement et de post-traitement étant aujourd’hui à la fois très diversifiés dans leurs techniques et très spécifiques dans leurs méthodes pour ce type de matériaux anciens. Contextuellement, cette paléotomographie se définit par la description par coupes virtuelles des parties internes, cachées à l’observation directe et/ou inaccessibles, d’un objet fossile, réalisée grâce à une série de mesures et d’investigations effectuées depuis l’extérieur de cet objet.

Les techniques d’imagerie et de paléotomographie ont respectivement connu une croissance progressive dans les sciences paléontologiques et paléoanthropologiques modernes, avec un développement exponentiel récent, en particulier due à l’évolution des capacités de calcul, des technologies numériques de traitement du signal et de l’image, et à leur accessibilité simplifiée. Les contributions scientifiques, impliquant la paléotomographie et l’imagerie, présentées dans les congrès internationaux, voire au sein de sessions spéciales, sont aujourd’hui nombreuses et les avancées autorisées par ces techniques sont manifestes.

Sur la proposition de Philippe Taquet, professeur au Muséum national d’histoire naturelle et membre de l’Académie des sciences, nous avons eu le plaisir d’accepter de coordonner ce fascicule thématique articulé autour de l’imagerie appliquée à la paléontologie et à la paléoanthropologie. Nous le remercions ici de sa confiance et de son bienveillant soutien au cours de cette aventure éditoriale.

Chaque contribution de ce volume est, bien évidemment, dédiée à un champ de recherche particulier, avec un matériel d’étude, des méthodes d’analyse, des résultats inédits, et des hypothèses scientifiques qui forment, pour chacune, une entité indépendante des autres contributions. L’ordre d’apparition des contributions suit cependant une logique, qui s’articule autour d’une présentation classée par technique ; et, pour chaque technique, par ordre taxonomique (par grands clades).

L’article de Balzeau et al. (2010) est une présentation générale des techniques et des intérêts, pour la recherche et la conservation des collections, de l’imagerie appliquée à la paléoanthropologie. Ce discours peut cependant s’adapter aisément à la paléontologie au sens large.

La contribution de Coubray et al. (2010) est axée sur une problématique d’archéobotanique, résolue par l’accès à la tomographie par rayons X.

Les articles de Claeson et al. (2010), Maisey et Lane (2010), Sanchez et al. (2010), Ladevèze et al. (2010), Vialet et al. (2010), Zanolli et al. (2010), et Mazurier et al. (2010), présentent des avancées scientifiques sur l’anatomie et la morphologie fonctionnelle de vertébrés fossiles (respectivement chondrichtyens, amphibiens, mammifères multituberculés, et primates), grâce à l’utilisation de microtomographes conventionnels à rayons X (μCTscan).

Les participations de Soriano et al. (2010), Dupret et al. (2010), Pradel et al. (2010), et Pouech et al. (2010), reposent sur l’exploitation de données tomographiques par rayonnement X synchrotron sur du matériel fossile, respectivement, d’arthropodes, de placodermes, de chondrichtyens et de mammifères.

La contribution de David et al. (2010) décrit la formalisation d’une méthode innovante et une application directe dans l’étude de l’évolution du système labyrinthique de l’oreille interne d’après des données tomographiques, toutes sources confondues.

Les articles de Souter et al. (2010), de Couette et White (2010), et de Friess (2010), sont axés sur l’application de la morphométrie géométrique en paléontologie (sur du matériel d’archosaures et de mammifères) et en paléoanthropologie.

La contribution de Chapman et al. (2010) présente une méthode originale de reconstruction 3D virtuelle par l’apport de la morphométrie géométrique, ainsi qu’une analyse biomécanique d’un membre inférieur de néandertalien.

Les travaux de Goussard et al. (2010) traitent de l’analyse par éléments finis (FEA) appliquée à une étude de cas sur les grands vertébrés à posture graviportale.

La dernière participation, de Steyer et al. (2010) illustre les applications de l’image 3D comme outil de diffusion des connaissances au grand public, par des reconstructions virtuelles artistiques et d’intérêt scientifique, d’espèces éteintes d’amphibiens.

Ce volume réuni 85 auteurs de 13 nationalités, montrant, s’il en était besoin, l’intérêt suscité par l’imagerie en sciences paléontologiques et paléoanthropologiques aux chercheurs du monde entier, et l’efficience des collaborations internationales sur des projets de recherche innovants et aux méthodes d’analyse de haute technologie. La très grande majorité des contributeurs de ce volume ont moins de 40 ans et la moitié des premiers auteurs ont moins de 30 ans. Cette jeune dynamique scientifique laisse présager de l’avenir prometteur de l’imagerie appliquée aux sciences naturelles, aux possibilités sans doute encore sous-estimées. L’amélioration technique de la qualité des sources des instruments (laser, faisceau de rayons X, etc.), des détecteurs et des algorithmes de reconstruction, couplée aux développements constants des ressources computationnelles ouvrent un large champ des possibles. Les associations et combinaisons entre différentes sources d’acquisition (IRM, CTscan, numérisation surfacique, etc.) et entre les nombreux logiciels de traitement et post-traitement (rétrodéformation, exploitation FEA, prototypage, reversing logiciel, etc.) permettent un remarquable développement des possibilités d’observation, d’examen et d’analyse.

L’accès facilité et structuré aux différents grands instruments scientifiques (comme les synchrotrons), conjugué à l’accès aux instruments classiques de laboratoire, généralement regroupés au sein de grandes plates-formes analytiques, autorise sans aucun doute des progrès considérables dans la compréhension des objets paléontologiques. De plus, des couplages analytiques avec l’imagerie 2D par rayonnement X (absorption et diffraction) et infrarouge, ainsi qu’avec l’imagerie 4D, octroient un potentiel de compréhension des objets d’étude concernant leur structure, composition, chimie, processus de fossilisation, taphonomie, morphologie fonctionnelle, etc.

La numérisation des objets de paléontologie et de paléoanthropologie a donc de sérieux atouts en raison de sa polyvalence, dans le cadre de la recherche scientifique. Elle a également des avantages pour la conservation/valorisation des collections, la présentation interactive ou encore la sauvegarde numérique du patrimoine. Ainsi, la numérisation permet de conserver une mémoire des spécimens. Toutes les données issues de numérisations en 3D peuvent être enregistrées sur différents supports informatiques et conservées numériquement. La perte ou la destruction d’un spécimen serait pour partie compensée, s’il a été scanné, par l’existence de sa mémoire virtuelle. Les réseaux collaboratifs entre les institutions scientifiques peuvent être renforcés autour de synergies de recherche sur les applications de l’imagerie appliquées aux matériaux des sciences naturelles, à travers la mise en place de banques de données d’images et de bases de données d’indexation des modélisations volumiques. Par une gestion appropriée, les données numérisées donnent la possibilité d’être mises à disposition, étudiées et analysées simultanément par la communauté internationale via les réseaux informatiques. Enfin, la numérisation permet une reproduction physique des modèles virtuels, à volonté et à presque toute échelle de taille par prototypage rapide sur imprimante 3D, pour des finalités de recherche, de diffusion, d’exposition ou d’enseignement.

L’objectif de départ, ambitieux s’il en était, de réunir en un même volume une vingtaine de contributions présentant des résultats scientifiques inédits, obtenus par des acquisitions et méthodes d’imagerie variées, à partir de matériel d’étude diversifié du monde de la paléontologie et de la paléoanthropologie a, nous semble-t-il, en grande partie été atteint. Le mérite en revient à l’ensemble des auteurs dont les qualités scientifiques, didactiques et esthétiques des contributions feront, nous l’espérons, de ce volume thématique un ouvrage de référence pour toute personne intéressée par les possibilités de l’imagerie appliquée à la paléontologie et la paléoanthropologie. Le public ciblé est, outre les membres de la communauté scientifique investis dans les thématiques de recherche abordées dans ce volume, le monde étudiant (particulièrement de master et de thèse) pouvant trouver ici des solutions ou des méthodes d’étude transposables à leurs problématiques de recherche, comme à leurs explorations bibliographiques.

Pour finir, nous tenons à faire part de nos remerciements, sincères et appuyés, aux auteurs des contributions présentes dans ce volume qui, autant professionnellement qu’amicalement, ont respecté les délais et précautionneusement suivi les consignes de publication, ainsi qu’à l’ensemble de l’équipe éditoriale des Comptes Rendus de l’Académie des sciences Palevol, en particulier nos principales interlocutrices, mesdames Arlette Soulacroup, Christine Gray et Hélène Paquet.