Des chercheurs de l'université de Toronto et de l'université de Regina utilisent l'imagerie neutronique pour révéler les structures invisibles des tissus mous à l'intérieur des fossiles.
Les informations les plus précieuses d'un fossile sont souvent les plus difficiles d'accès.
Les structures enfouies dans la pierre révèlent le mode de vie des animaux disparus - cartilage, vaisseaux sanguins et autres tissus mous qui survivent rarement à la fossilisation sous une forme pouvant être étudiée. Pendant des décennies, les paléontologues ont supposé que ces matériaux étaient complètement perdus au fil du temps.
Ce n'est qu'au cours des 20 dernières années qu'il est apparu clairement que des traces de tissus mous pouvaient persister dans les fossiles anciens, et le monde scientifique continue de découvrir la richesse des informations que l'on peut tirer de ces fossiles sur les créatures disparues.
Cependant, un défi fondamental demeure : ces structures sont cachées profondément dans les os fossilisés, et les techniques conventionnelles ne peuvent pas les révéler 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 des tissus mous à l'aide de méthodes non destructives. Par conséquent, les collections mondiales de fossiles de millions d'organismes individuels, y compris des dizaines de milliers de dinosaures, n'ont pas encore été examinées pour détecter la présence de tissus mous : un trésor à découvrir.
Compte tenu de l'abondance croissante de spécimens fossiles bien conservés dans les collections canadiennes, la possibilité d'examiner ces matériaux de manière non destructive représente une opportunité scientifique et culturelle nationale importante.
L'imagerie neutronique et l'imagerie par rayons X synchrotron permettent d'examiner l'intérieur des fossiles sans les découper. L'imagerie neutronique 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 très grands. Ces outils non destructifs nécessitent tous deux des installations à grande échelle.
Deux projets indépendants menés au Canada illustrent la manière dont l'imagerie neutronique devient un outil de transformation pour l'examen des fossiles : l'un mené par l'université de Regina et l'autre par l'université de Toronto.
Jerit Mitchell, chercheur doctorant à l'université de Regina, et ses directeurs de recherche - les professeurs Mauricio Barbi et Marcella Berg - recherchent des tissus mous préservés dans des os fossilisés et, ce faisant, construisent un pipeline de découvertes paléontologiques basé sur l'imagerie neutronique et les méthodes de rayons X synchrotron pour étudier les os fossilisés.
Son travail sur Scotty, un Tyrannosaure-rex exposé au Royal Saskatchewan Museum, a démontré comment l'imagerie par rayons X synchrotron peut révéler les structures vasculaires associées à la guérison osseuse, ce qui permet de mieux comprendre la physiologie des dinosaures.
Il a pris des images neutroniques pour détecter les signatures de la préservation des tissus mous dans les os fossilisés. Il cherche à comprendre les vaisseaux sanguins et les capacités de cicatrisation de ces animaux disparus, ainsi que le phénomène de préservation des tissus mous anciens en général.
« L'imagerie neutronique nous permet de rechercher des signaux dans les tissus mous qui sont tout simplement invisibles avec d'autres techniques », comme l'explique Mitchell. « En plus d'être plus pénétrants que les rayons X, les neutrons sont beaucoup plus sensibles aux matériaux riches en hydrogène qui constituent les tissus mous de tous les êtres vivants. S'il reste des tissus mous à l'intérieur des grands fossiles de dinosaures, il est probable que nous les verrons avec les neutrons. »
Il est le premier à combiner l'imagerie synchrotron à rayons X et à neutrons pour rechercher ces tissus et en tirer des enseignements. Ces explorations marquent une transition critique entre la déduction et l'observation. Alors que les travaux antérieurs sans les tissus mous s'appuyaient sur des preuves indirectes (morphologie et signatures chimiques), ces techniques d'imagerie non destructives offrent la possibilité de visualiser directement les contrastes liés au matériel biologique préservé.
Un effort complémentaire à l'Université de Toronto se concentre sur d'autres reptiles et vertébrés. Le professeur Robert Reisz n'en est pas à son coup d'essai pour repousser les limites de ce que les fossiles peuvent révéler. Il fait autorité en matière de paléontologie des vertébrés, notamment en ce qui concerne l'évolution des reptiles et des premiers amniotes. Reisz est membre de la Société royale du Canada en reconnaissance de ses contributions importantes et durables à la science.
Ces dernières années, Reisz s'est de plus en plus tourné vers les installations à neutrons pour étudier des fossiles qui résistent aux approches conventionnelles. Son travail, souvent en collaboration avec lAustralian Centre for Neutron Scattering (ACNS), a permis d'appliquer la tomographie neutronique à de nombreux systèmes fossiles, en particulier les vertébrés du Permien conservés dans des matrices denses ou chimiquement complexes, où l'imagerie par rayons X est peu efficace et où la préparation destructive n'est pas envisageable. Un grand nombre de ces fossiles, trouvés par Reisz et donnés au Royal Ontario Museum, ont constitué la base d'un programme de recherche dynamique utilisant l'imagerie neutronique à l'ACNS.
Dans l'un des exemples récents les plus frappants, cette approche a permis d'examiner un fossile qui, autrement, serait resté inaccessible. Le spécimen - un reptile (Captorhinus) daté par radiométrie de près de 300 millions d'années - est extraordinaire par sa conservation. Contrairement aux fossiles habituels, il conserve non seulement des os, mais aussi de la peau tridimensionnelle, du cartilage et des restes de structures protéiques originales, offrant ainsi un rare aperçu 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 la préparation traditionnelle des fossiles.
À l'ACNS, l'imagerie neutronique a permis à l'équipe de recherche d'imager le fossile et de reconstruire les structures internes en trois dimensions sans modifier physiquement le spécimen. Les données obtenues ont révélé des détails sur la cage thoracique, le cartilage et l'articulation du squelette, ce qui a permis de mieux comprendre comment ces vertébrés terrestres respiraient.
L'importance de l'imagerie neutronique dans ce cas n'est pas incrémentale, elle est habilitante.
« Seule l'imagerie neutronique permet de visualiser ces tissus mous extrêmement délicats conservés dans la roche », explique le professeur Robert Reisz.
« L'imagerie neutronique permet d'étudier les fossiles au-delà de l'os et d'entrer dans la biologie préservée, en révélant des caractéristiques anatomiques qui, autrement, resteraient cachées, voire disparaîtraient complètement, ce qui permet d'aborder directement les questions relatives à la physiologie et à la fonction. »
Les travaux de Reisz et Mitchell illustrent un changement dans la paléontologie. L'imagerie neutronique a déjà été appliquée à de nombreux systèmes fossiles pour révéler des structures inaccessibles par d'autres moyens.
Des chercheurs canadiens emmènent les méthodes neutroniques sur un nouveau terrain : ils analysent des dinosaures et d'autres fossiles anciens à la recherche de traces de tissus mous qui sont restées cachées jusqu'à présent.
Ces méthodes ne se contentent pas d'améliorer la résolution, elles modifient l'étendue de ce qui peut être étudié.
Mais elles révèlent également une réalité structurelle. La capacité à mener ce travail à bien dépend de l'accès à des installations spécialisées, qui sont rares, très demandées et souvent situées hors des frontières canadiennes.
Il en résulte un environnement de recherche dans lequel les opportunités scientifiques sont étroitement liées à l'accès aux infrastructures.
En conséquence, les chercheurs canadiens n'ont qu'un accès très limité au petit nombre d'installations à grande échelle existant dans le monde. Alors que Reisz s'appuie sur 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 prises grâce au partenariat à durée limitée du Canada avec l'ISIS Neutron and Muon Source au Royaume-Uni. Bien que le Canada ne soit pas membre de l'Institut Laue-Langevin, une source de neutrons multinationale située en France, en raison de la nouveauté et de l'importance de cette recherche, il a pu obtenir un accès temporaire pour démontrer son potentiel. Il a également eu récemment accès aux lignes de faisceaux du laboratoire national d'Oak Ridge aux États-Unis.
« Nous avons eu la chance d'obtenir du temps de faisceau jusqu'à présent », explique Mitchell. « Mais avec autant de fossiles à examiner pour les tissus mous, un accès régulier et constant est nécessaire. En outre, le fait d'aller à l'étranger ajoute de la complexité, en particulier lorsque vous transportez des spécimens rares et fragiles. Il y a un risque plus élevé de dommages pendant le transport. Et vous consacrez beaucoup plus de temps et d'argent aux déplacements pour chaque expérience. »
Bien que Reisz ait réussi à développer une collaboration continue avec l'ACNS, le fait d'emporter des fossiles jusqu'en Australie entraîne des pertes inévitables. Il a commencé à transporter des spécimens à la main lorsqu'il se rend sur place, après qu'un expéditeur a perdu une partie de son précieux matériel.
À l'heure actuelle, la capacité des chercheurs canadiens à étudier systématiquement l'une des collections de fossiles les plus précieuses au monde est effectivement limitée.
Une installation canadienne d'imagerie neutronique pourrait résoudre bon nombre de ces problèmes.
Alors que l'imagerie neutronique commence à ouvrir de nouvelles fenêtres sur les archives fossiles, révélant la physiologie, les voies de préservation et des détails biologiques que l'on croyait perdus, 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.
