Comment Artec Space Spider aide à mesurer la métamorphose des oiseaux due au réchauffement climatique

La doctorante Sara Ryding scanne en 3D un cacatoès rosalbin (Eolophus roseicapilla) à l’aide d’Artec Space Spider (crédit photo : Sara Ryding)

Un des effets les plus étonnants du réchauffement climatique se produit depuis plusieurs décennies : de multiples espèces d’oiseaux dans le monde réagissent à la hausse des températures en « se métamorphosant », soit en modifiant leurs bec, pattes et autres appendices, dans un effort désespéré pour s’adapter et survivre.

Une observation peu connue du nom de « règle d’Allen » explique comment ce phénomène les aide à supporter la chaleur. Posée au 19^e siècle, cette règle biologique veut que les animaux vivant dans des climats chauds soient en général dotés de plus grands appendices, tels leurs oreilles, bec, queue et pattes.

Étant donné que de nombreux appendices ne sont pas isolés par de la fourrure ou des plumes, ces structures anatomiques agissent comme une sorte de thermostat, en dissipant la chaleur et en refroidissant l’animal à une température confortable.

Image infrarouge montrant des flamants roses en train de dissiper la chaleur par leur bec et leurs pattes (crédit photo : Glenn Tattersall)

Les éléphants d’Afrique le font avec leurs oreilles ; les souris via leur queue ; et les oiseaux par leur bec et leurs pattes.

Comment les oiseaux règlent la température de leur corps

En examinant de plus près comment la nature a équipé les oiseaux pour réaliser cet impressionnant exploit de thermorégulation, nous pouvons comprendre pourquoi cette stratégie est si utile. Tout d’abord, prenons une des parties les plus efficaces du thermostat corporel de l’oiseau : son bec. Avant de le contempler sous toutes les coutures, vous imaginez peut-être que le bec d’un oiseau est composé de matériaux morts et inertes, à l’instar de l’écorce d’un arbre.

Niveau élevé de vascularisation du bec d’un calao leucomèle (Tockus leucomelas) femelle du désert du Kalahari, en Afrique du Sud (crédit photo : T. van de Ven, UCT)

Il s’agit en réalité d’organes vivants, extrêmement vascularisés, riches d’un réseau ramifié de vaisseaux sanguins. À titre d’illustration, quand la nuit tombe et qu’un oiseau doit se refroidir, il peut faire affluer davantage de sang vers son bec, dispersant ainsi la chaleur corporelle excédentaire et diminuant sa température à un niveau plus propice au sommeil.

De toute évidence, les oiseaux au bec relativement plus grand par rapport à la taille de leur corps accomplissent cet exploit plus efficacement que leurs cousins au bec plus petit.

Photographie infrarouge d’un macareux moine (Fratercula arctica) montrant la dissipation de la chaleur en action (crédit photo : Glenn Tattersall)

En réponse à la hausse des températures, au fil des générations, les animaux peuvent augmenter la taille d’un ou plusieurs de leurs appendices proportionnellement à la taille de leur corps. On parle de métamorphose pour qualifier ces changements qui modifient la symétrie générale du corps des oiseaux.

Les secrets de la métamorphose aviaire

Ces transformations anatomiques sont discrètes sur les oiseaux et doivent être mesurées en examinant des spécimens d’oiseaux recueillis sur plusieurs décennies du siècle dernier et conservés aujourd’hui dans des musées, afin de quantifier précisément le degré de métamorphose.

De précédentes études se sont concentrées sur les preuves de cette évolution au sein d’une seule espèce ou de certains groupes d’oiseaux. Toutefois, l’étude actuelle mettant en lumière ce domaine en plein développement de l’ornithologie englobe près de 6 000 oiseaux représentant 86 espèces différentes, réparties à travers 10 ordres d’oiseaux.

Scan fait par Artec Space Spider d’un mérion superbe (Malurus cyaneus) d’Australie (crédit photo : Sara Ryding)

Menée par la doctorante Sara Ryding de l’université Deakin, à Melbourne, et ses collègues, cette recherche se concentre sur les espèces d’oiseaux australiennes.

Afin d’atteindre le niveau de précision le plus élevé – une condition sine qua non de ce genre d’étude – lors de la mesure de milliers de spécimens d’oiseaux, le Dr Matthew Symonds, le superviseur de Sara Ryding, a choisi la solution du scan 3D.

La chercheuse Sara Ryding en train de tenir un élanion d’Australie (Elanus axillaris) (crédit photo : Sara Ryding)

Après avoir comparé attentivement tous les scanners 3D qualifiés disponibles sur le marché, Matthew Symonds a contacté son partenaire Artec local Objective3D.

Les spécialistes de l’entreprise lui ont présenté Artec Space Spider, un scanner 3D portable de qualité métrologique devenu un favori parmi les chercheurs et autres professionnels aux exigences strictes en matière de précision et de résolution.

Artec Space Spider

La méthode traditionnelle de détection de la métamorphose des oiseaux exige le recours à des pieds à coulisse numériques afin de calculer la longueur, la largeur et la profondeur du bec des oiseaux. Ces dimensions sont ensuite intégrées à une équation qui donne aux chercheurs la superficie d’un cône de la même taille que le bec.

Capturer les données de forme 3D complètes avec Space Spider

Sara Ryding commente la grande variété de formes complexes que les becs d’oiseaux peuvent avoir : « En réduisant les mesures d’un bec à une simple forme conique, vous perdez de la géométrie, et donc des données de surface anatomique importantes à consigner. »

Et de poursuivre : « Je m’intéresse à des oiseaux très différents, des canards aux passereaux, en passant par les rapaces… Quand vous étudiez des espèces aussi diverses, vous rencontrez obligatoirement des formes de becs très variées. Voilà pourquoi je pense que le scan 3D convient bien mieux à ce genre d’application, car il permet de numériser toute l’anatomie de surface organique, sans rien laisser de côté. »

Préparatifs avant de mesurer le bec d’un pardalote à point jaune d’Australie à l’aide de pieds à coulisse numériques (crédit photo : Sara Ryding)

L’erreur humaine est une des autres difficultés de la méthode de mesures manuelles. Les mesures peuvent en effet varier d’un chercheur à l’autre en raison du placement légèrement différent du pied à coulisse, ce qui donne suffisamment de variations pour modifier les résultats, même avec les meilleures intentions et la plus grande expérience.

Mesures submillimétriques en quelques secondes, scan après scan

D’après Sara Ryding, « grâce à Artec Space Spider, vous pouvez réduire l’erreur humaine au minimum, car presque chaque scan est identique, d’une personne à l’autre. C’est ce à quoi aspire chaque chercheur. Plus la précision du jeu de données est élevée, plus nous pouvons voir clairement les corrélations, ce qui nous aide à atteindre nos conclusions. »

Jusqu’à présent, l’étude de Matthew Symonds a montré que rien qu’au cours du siècle dernier, la taille du bec des oiseaux étudiés a augmenté d’environ 4 % à 10 %.

Malgré les confinements dus au Covid-19 qui ont limité l’accès aux collections des musées, Sara Ryding a réussi à scanner plus de 3 000 oiseaux sur une période de plusieurs mois. Elle s’est fixé l’objectif de 6 000 oiseaux.

Lors de ses journées de scan, la chercheuse se rend au musée en ayant en tête une ou plusieurs espèces bien précises. Avec l’aide du conservateur du musée, elle trouve ces espèces et commence à chercher celles à scanner, en fonction de l’année où le spécimen a été recueilli, de l’endroit où il a été trouvé, etc.

Quand les oiseaux sont petits, elle peut en scanner de 40 à 50 en une après-midi. Pour les oiseaux de plus grande taille, 30 à 40 est un objectif plus réaliste.

Capture d’écran d’Artec Studio montrant un scan fait par Artec Space Spider d’un cacatoès rosalbin d’Australie sans application de texture (crédit photo : Sara Ryding)

La méthode de scan de la doctorante est simple : elle place l’oiseau couché sur le dos sur un plateau tournant. Puis, en faisant tourner lentement le plateau, elle scanne l’oiseau avec Space Spider, en numérisant toute l’anatomie essentielle du bec en un seul balayage. Il lui faut environ deux minutes au total pour obtenir un scan avec une myriade de possibilités.

Des données 3D fiables qui éclipsent les mesures manuelles

Pour citer Sara Ryding : « Chaque scan me donne plus qu’assez de données de surface pour toutes mes analyses, même pour de futures recherches, par exemple pour la morphométrie géométrique. Il serait impossible pour des pieds à coulisse numériques d’acquérir même une fraction de ces données de surface hautement détaillées. »

Capture d’écran Artec Studio montrant un scan fait par Artec Space Spider d’un cacatoès rosalbin d’Australie avec application de la texture (crédit photo : Sara Ryding)

Sara Ryding traite les scans dans le logiciel Artec Studio, soit chez elle soit à l’université. Il ne lui faut que 6 minutes par oiseau.

Une étape qu’elle décrit en détail : « Ma méthode de traitement des scans est la suivante : j’effectue un enregistrement global, puis une suppression des valeurs aberrantes, suivie d’une fusion nette, qui conserve tout, même les détails les plus minuscules, avec netteté. Après quoi j’applique la texture pour m’assurer de voir où se terminent les plumes et où commence le bec. Ensuite, j’élimine le superflu, de façon à ne garder que le bec dans le scan. »

Dans Artec Studio, isolement du bec d’un cacatoès rosalbin d’Australie pour la prise de mesures (crédit photo : Sara Ryding)

Sara Ryding utilise ensuite l’outil de mesure d’Artec Studio pour obtenir rapidement des mesures linéaires du bec, afin de vérifier les dimensions mesurées avec les pieds à coulisse numériques.

« Puis je fais ce que les pieds à coulisse sont incapables d’accomplir : une mesure de superficie, qui mesure la zone entière du bec, pas uniquement les éléments linéaires », explique-t-elle.

« Space Spider numérise chaque creux et courbe de l’anatomie du bec, ce qui permet de déterminer précisément la superficie du bec, au millimètre près. »

Et de détailler : « J’utilise ces mesures telles quelles, mais si j’effectuais des analyses géométriques ou morphométriques, qu’un autre chercheur ou moi-même pourrions accomplir avec ces scans de Space Spider, il me suffirait simplement d’exporter les modèles au format PLY dans diverses applications pour accomplir les tâches nécessaires. »

Scan fait par Artec Space Spider d’un méliphage de Nouvelle-Hollande (Phylidonyris novaehollandiae) (crédit photo : Sara Ryding)

La doctorante espère que sa recherche dépassera les frontières de l’Australie et que d’autres chercheurs y ajouteront leurs données, permettant ainsi de quantifier précisément et de comparer la métamorphose en cours au sein de diverses espèces d’oiseaux (ou d’autres animaux) dans toutes les régions, continents et hémisphères.

Le besoin indispensable en scan 3D pour la recherche biologique

D’après elle, le scan 3D est incontournable pour atteindre ce but avec fiabilité : « Si nous voulons faciliter nos études, d’un chercheur à l’autre, il est impératif que nous ayons des données précises directement comparables. Les mesures manuelles ne suffisent plus. »

Et de continuer : « Grâce à Space Spider, en quelques minutes par oiseau, nous acquérons des données de surface submillimétriques ainsi que des détails de texture réalistes qui, ensemble, nous donnent tout ce dont nous avons besoin pour nos travaux présents et futurs. »

Scan fait par Artec Space Spider d’un loriot verdâtre (Oriolus flavocinctus) d’Australie (crédit photo : Sara Ryding)

Pour les chercheurs n’ayant pas accès à des scanners 3D performants, Sara Ryding et son équipe améliorent la formule existante (utilisant la géométrie) pour estimer la taille du bec des oiseaux, en comparant les estimations de la formule avec des mesures précises de modèles 3D créés avec Space Spider.

Elle y est parvenue en identifiant lesquelles des huit mesures linéaires distinctes de bec étaient les plus importantes. Puis, en utilisant certaines de ces mesures et en les comparant aux modèles 3D des mêmes spécimens, la chercheuse a mis au point de nouvelles formules pour améliorer les estimations manuelles de la taille des becs.

L’étude de Sara Ryding est toujours en cours, et prévoit l’ajout de formules supplémentaires et l’examen d’une variété plus large d’espèces.