Des chercheurs de l'Université de Toronto et de l'Université de Regina ont recours à l'imagerie neutronique pour mettre en évidence les structures invisibles des tissus mous présents à l'intérieur des fossiles.
Les informations les plus précieuses contenues dans un fossile sont souvent les plus difficiles à obtenir.
C'est dans la roche que se cachent les structures qui nous révèlent comment vivaient les animaux disparus : cartilage, vaisseaux sanguins et autres tissus mous qui survivent rarement à la fossilisation sous une forme permettant d'être étudiés. Pendant des décennies, les paléontologues ont supposé que ces matériaux avaient été entièrement perdus au fil du temps.
Ce n'est qu'au cours des vingt dernières années qu'il est apparu clairement que des traces de tissus mous pouvaient subsister dans les fossiles anciens, et la communauté scientifique continue de découvrir la mine d'informations que ceux-ci recèlent sur les créatures disparues.
Il reste toutefois un défi majeur : ces structures sont enfouies profondément dans l'os fossilisé, et les techniques conventionnelles ne permettent pas de les mettre au jour ou risquent d'endommager le spécimen.
En raison de ces difficultés, l'intérieur de la plupart des fossiles n'a pas fait l'objet d'un examen systématique visant à détecter la présence de tissus mous à l'aide de méthodes non destructives. Par conséquent, les collections mondiales de fossiles provenant de millions d'organismes, dont des dizaines de milliers de dinosaures, n'ont toujours pas été examinées pour détecter la présence de tissus mous — un véritable trésor qui recèle de nombreuses découvertes.
Compte tenu de l'abondance croissante de spécimens fossiles bien conservés conservés dans les collections canadiennes, la possibilité d'analyser ces matériaux sans les endommager représente une opportunité scientifique et culturelle majeure pour le pays.
L'imagerie par neutrons et par rayons X synchrotron permet d'observer l'intérieur des fossiles sans les sectionner. L'imagerie par neutrons peut pénétrer plus profondément dans les matériaux fossiles denses que les rayons X, ce qui est particulièrement utile pour les os de dinosaures, dont certains sont de taille considérable. Ces techniques non destructives nécessitent toutes deux des installations de grande envergure.
Deux projets indépendants menés au Canada montrent comment l'imagerie neutronique est en train de devenir un outil révolutionnaire pour l'étude des fossiles : l'un est mené par l'Université de Regina et l'autre par l'Université de Toronto.
Jerit Mitchell, doctorant à l'Université de Regina, et ses directeurs de thèse, les professeurs Mauricio Barbi et Marcella Berg, recherchent des tissus mous préservés dans des os fossilisés. Ce faisant, ils mettent en place une série de découvertes paléontologiques s'appuyant sur l'imagerie neutronique et les rayons X synchrotron pour étudier les os fossilisés.
Ses travaux sur Scotty, un Tyrannosaurus rex exposé au Royal Saskatchewan Museum, ont montré comment l'imagerie par rayons X synchrotron peut mettre en évidence les structures vasculaires liées à la consolidation osseuse, apportant ainsi un éclairage sur la physiologie des dinosaures.
Il a désormais réalisé des images par neutrons afin de détecter des traces de préservation des tissus mous à l'intérieur d'os fossilisés. Il cherche à mieux comprendre les vaisseaux sanguins et la capacité de cicatrisation de ces animaux disparus, ainsi que le phénomène de la préservation des tissus mous anciens en général.
« L'imagerie par neutrons nous permet de détecter des signaux provenant des tissus mous qui sont tout simplement invisibles avec d'autres techniques », explique Mitchell. « En plus d'avoir un pouvoir de pénétration supérieur à celui des rayons X, les neutrons sont beaucoup plus sensibles aux matériaux riches en hydrogène qui composent les tissus mous de tous les êtres vivants. S'il reste des tissus mous enfouis profondément à l'intérieur de grands fossiles de dinosaures, nous avons de bonnes chances de les détecter grâce aux neutrons. »
Il est à l'avant-garde de l'association de l'imagerie par rayons X synchrotron et par neutrons pour mettre en évidence ces tissus et en tirer des enseignements. Ces recherches marquent une transition décisive de la déduction à l'observation. Alors que les travaux antérieurs, menés en l'absence de tissus mous, s'appuyaient sur des indices indirects – morphologie et signatures chimiques –, ces techniques d'imagerie non destructives offrent la possibilité de visualiser directement les contrastes liés au matériel biologique préservé.
Une initiative complémentaire menée à l'Université de Toronto porte sur d'autres reptiles et vertébrés. Le professeur Robert Reisz n'en est pas à son coup d'essai lorsqu'il s'agit de repousser les limites de ce que les fossiles peuvent nous révéler. Il est une sommité en paléontologie des vertébrés, notamment en ce qui concerne l'évolution des reptiles et des premiers amniotes. Robert Reisz est membre de la Société royale du Canada, en reconnaissance de ses contributions substantielles et durables à la science.
Ces dernières années, Reisz a de plus en plus souvent eu recours aux installations de neutrons pour étudier des fossiles qui résistent aux méthodes conventionnelles. Ses travaux — souvent menés en collaboration avec l’Australian Centre for Neutron Scattering (ACNS) — ont consisté à appliquer la tomographie neutronique à divers types de fossiles, en particulier aux vertébrés du Permien conservés dans des matrices denses ou chimiquement complexes, où l’imagerie par rayons X se heurte à des difficultés et où la préparation destructive n’est pas envisageable. Bon nombre de ces fossiles, découverts par Reisz et donnés au Musée royal de l'Ontario, ont constitué la base d'un programme de recherche dynamique utilisant l'imagerie neutronique à l'ACNS.
L'un des exemples récents les plus frappants montre que cette approche a permis d'étudier un fossile qui, sans cela, serait resté inaccessible. Ce spécimen – un reptile (Captorhinus) dont la datation radiométrique remonte à près de 300 millions d'années – se distingue par son état de conservation exceptionnel. Contrairement aux fossiles habituels, il a conservé non seulement ses os, mais aussi sa peau en trois dimensions, son cartilage et des vestiges de structures protéiques d'origine, offrant ainsi un aperçu rare de l'anatomie des tissus mous des reptiles disparus.
Le défi était immédiat : ces caractéristiques préservées sont précisément celles qui risquent le plus d'être détruites par les méthodes traditionnelles de préparation des fossiles.
À l'ACNS, l'imagerie neutronique a permis à l'équipe de recherche d'obtenir des images du fossile et de reconstituer ses structures internes en trois dimensions sans altérer physiquement le spécimen. Les données ainsi obtenues ont révélé des détails sur la cage thoracique, le cartilage et les articulations du squelette, apportant un nouvel éclairage sur la façon dont ces vertébrés terrestres respiraient.
Dans ce cas précis, l'importance de l'imagerie neutronique n'est pas simplement complémentaire : elle est déterminante.
« Seule l'imagerie par neutrons offre la capacité unique de visualiser ces tissus mous extrêmement fragiles préservés dans la roche », explique le professeur Robert Reisz.
« L'imagerie neutronique permet d'étendre l'étude des fossiles au-delà des os pour s'intéresser à la biologie préservée, révélant ainsi des caractéristiques anatomiques qui, sans cela, resteraient cachées — voire seraient perdues à jamais —, ce qui permet d'aborder directement des questions relatives à la physiologie et au fonctionnement. »
Les travaux de Reisz et Mitchell témoignent d'une évolution dans le domaine de la paléontologie. L'imagerie par neutrons a déjà été utilisée sur divers types de fossiles pour mettre au jour des structures inaccessibles par d'autres moyens.
Des chercheurs canadiens repoussent les limites des méthodes basées sur les neutrons en explorant des fossiles de dinosaures et d'autres fossiles anciens à la recherche de traces de tissus mous restées cachées jusqu'à présent.
Ces méthodes ne se contentent pas d'améliorer la résolution : elles élargissent le champ des possibilités d'étude.
Mais elles mettent également en lumière une réalité structurelle. La capacité à mener à bien ces travaux dépend de l'accès à des installations spécialisées — des installations qui sont rares, très sollicitées et souvent situées à l'étranger.
Il en résulte un environnement de recherche dans lequel les perspectives scientifiques sont étroitement liées à l'accès aux infrastructures.
De ce fait, les chercheurs canadiens ont un accès très limité au petit nombre d'installations à grande échelle existant dans le monde. Alors que Reisz dépend d'une installation australienne, Mitchell a réussi à obtenir un accès sporadique à certaines installations européennes et américaines.
Certaines de ses images de fossiles de dinosaures ont été réalisées dans le cadre d'un partenariat temporaire entre le Canada et la source de neutrons et de muons ISIS, au Royaume-Uni. Bien que le Canada ne soit pas membre de l'Institut Laue-Langevin, une source de neutrons multinationale située en France, il a pu obtenir un accès temporaire afin de démontrer le potentiel de cette recherche, en raison de son caractère novateur et de son importance. Il a également pu récemment accéder aux lignes de lumière du Laboratoire national d'Oak Ridge, aux États-Unis.
« Jusqu’à présent, nous avons eu la chance de pouvoir bénéficier de temps de faisceau », explique Mitchell, « mais avec autant de fossiles à analyser à la recherche de tissus mous, il est nécessaire de disposer d’un accès régulier et constant. De plus, se rendre à l’étranger ajoute une couche de complexité — surtout lorsqu’il s’agit de transporter des spécimens rares et fragiles —, car le risque de dommages pendant le transport est plus élevé. Et chaque expérience implique un investissement en temps et en argent bien plus important pour les déplacements. »
Si Reisz a réussi à mettre en place une collaboration durable avec l'ACNS, le transport de fossiles jusqu'en Australie entraîne inévitablement des pertes. Il a commencé à transporter lui-même ses spécimens lorsqu'il se rend sur place, après qu'un transporteur eut égaré une partie de son précieux matériel.
À l'heure actuelle, la capacité des chercheurs canadiens à explorer de manière systématique l'une des collections de fossiles les plus précieuses au monde est en réalité limitée.
Une installation canadienne d'imagerie par neutrons pourrait résoudre bon nombre de ces problèmes.
Alors que l'imagerie neutronique commence à ouvrir de nouvelles perspectives sur les archives fossiles — en révélant des aspects physiologiques, des mécanismes de conservation et des détails biologiques que l'on croyait perdus à jamais —, la question n'est plus de savoir si l'imagerie neutronique peut transformer la paléontologie.
La question est de savoir si les chercheurs canadiens auront un accès fiable aux faisceaux de neutrons nécessaires à cette fin.
