Morphométrie géométrique et 3D: Premières analyses des morphotypes ovins et caprins

Dans le cadre du workshop ArchéObjects3D organisé par Archéorient les 29 et 30 juin 2016 à la Maison de l’Orient et de la Méditerranée (Lyon), notre communication a porté sur les premières étapes de la recherche doctorale en archéozoologie de Manon Vuillien (CEPAM, Nice) concernant l’utilisation de l’imagerie 3D en morphométrie géométrique pour étudier les morphotypes d’ovins et de caprins présents au cours de la Protohistoire en Provence et dans les Alpes méridionales. Dans ce billet, nous détaillerons la problématique de l’étude, le matériel et les premiers outils utilisés pour étudier la conformation géométrique des astragales d’ovins et de caprins.

Problématique

Au sein d’une même espèce domestique, il existe aujourd’hui une grande diversité phénotypique résultant des processus adaptatifs relatifs à certaines conditions de vie ou de la sélection humaine depuis des millénaires (couleur du pelage, longueur des oreilles, longueur de la toison, formes des cornes, queue grasse ou longue…). Cette diversité devait être plus élevée par le passé, avant l’essor de l’industrialisation et des pratiques zootechniques. Pourtant en archéozoologie, cette dernière reste encore difficile à appréhender avec les méthodes classiques d’analyse des ossements. Pour tenter de mieux connaître la diversité des cheptels ovins et caprins dans le Midi de la France entre la fin du Néolithique et le début de la romanisation, ce travail doctoral se propose d’utiliser et adapter une méthode récente en plein essor, la morphométrie géométrique, permettant de distinguer des morphotypes et d’étudier ensuite leur distribution géographique et leur évolution au cours du temps.

Méthode, matériel et extraction des données

• Méthode

La morphométrie géométrique est une technique d’analyse de plus en plus utilisée en archéozoologie pour distinguer des espèces proches à partir de l’étude de la conformation des éléments du squelette. Cette approche permet d’étudier les variations anatomiques qui existent entre différents taxons en collectant et analysant des données sur la forme des dents ou des os. Elle permet notamment d’étudier l’impact de la domestication sur l’évolution du squelette de certains taxons (e.g. cochon, chien, souris) comparée à la morphologie originelle de leurs ancêtres sauvages (Cucchi et al. 2011 ; Evin et al. 2015, 2013). La conformation géométrique d’un objet correspond à la forme de cet objet indépendamment de sa taille. Elle peut être décrite par des courbes de contours, des surfaces ou des point-repères. Les données sont collectées en deux ou trois dimensions. Pour pouvoir comparer les objets entre eux, les conformations sont alignées en utilisant la technique de la superposition Procruste (Cucchi et al. 2015 ; Rohlf et Marcus 1993). Les objets sont placés dans un même espace de conformation en supprimant les effets de position, taille et orientation, ce qui permet d’obtenir des coordonnées de points comparables.

Bien que l’utilisation d’un scanner pour reconstruire des objets archéologiques en trois dimensions soit devenue courante, cette technique est encore peu appliquée en archéozoologie (Evin et al. 2016). Pourtant, l’analyse d’un objet en 3D permet d’obtenir des informations primordiales pour étudier la morphologie des ossements fauniques. Il est possible de contrôler des paramètres comme le volume, le relief, la densité, la taille, paramètres importants pour étudier la morphologie anatomique à l’échelle inter- et intra-individuelle.

• Matériel

Dans le cadre de cette étude, l’acquisition des données s’effectue à partir du scanner Artec Spider à lumière structurée par LED bleues et du logiciel Artec Studio 11 (Matériel mis à disposition par le CEPAM, plateau technique « Relevés 2D et 3D, modélisation et archivage des données ».). Léger et compact, ce scanner présente l’avantage d’être facilement transportable. Le protocole d’acquisition, consistant à fixer le scanner sur un pied et à numériser les 4 faces de l’objet positionné sur un plateau tournant, assure une numérisation rapide et uniforme. Dans notre cas, l’étude de la morphologie s’appuie sur la géométrie des modèles obtenus. Le modèle maillé, non texturé, est reconstruit à une résolution de 0.1 mm à partir des scans.

Notre travail porte sur la numérisation en 3D de deux os du squelette postcrânien : l’humérus et l’astragale (Fig. 1). Ces os sont considérés comme de bons marqueurs morphologiques discriminants pour des taxons appartenant à des groupes taxonomiques proches et partageant un gabarit similaire (e.g. Boessneck et al. 1964 ; Fernandez 2001 ; pour les petits ruminants). A terme, ils nous permettront de donner une image du morphosquelette des cheptels domestiques présents au cours de la protohistoire. Cependant, avant de pouvoir étudier les cheptels ovins et caprins protohistoriques, les premières analyses portent sur l’étude de la conformation géométrique de 41 astragales de 4 espèces actuelles de caprinés domestiques et sauvages : le mouton (Ovis aries), la chèvre (Capra hircus), le mouflon méditerranéen (Ovis orientalis musimon) et le chamois (Rupicapra rupicapra). Ces pièces anatomiques proviennent des collections du CEPAM, d’Archéorient (antenne de Jalès, collection de Daniel Helmer), du Muséum national d’Histoire Naturelle de Paris (Laboratoire d’Anatomie comparée) et de collections personnelles.

• Extraction des données

L’analyse de la conformation géométrique est effectuée à partir du logiciel 3DReshaper et de l’environnement statistique R. A ce stade de l’étude, la technique utilisée est celle des points-repères (« landmarks »). Dans une première phase-test, nous avons sélectionné 16 points-repères répartis sur l’ensemble de l’astragale et correspondant pour la majorité d’entre eux à des intersections de facettes articulaires ou à des éléments anatomiques aisément repérables et dont l’homologie est certaine. Les conformations morphométriques, une fois enregistrées sous un format numérique, sont alignées et superposées grâce à la technique de la superposition Procruste. Cette étape permet de séparer les paramètres de taille et de conformation. L’analyse de la conformation a été réalisée à partir d’une analyse en composante principale (ACP).

Résultats et perspectives de travail

Les résultats de l’analyse en composantes principales (Fig. 2) font apparaître plusieurs concentrations de spécimens dont certaines correspondent à des entités taxonomiques relativement homogènes. Ainsi, parmi les valeurs positives de l’axe 1, les astragales de chèvres se distinguent clairement de ceux des autres taxons. On observe également une séparation assez nette entre les astragales de mouflons (à droite) et ceux de moutons (à gauche), à l’exception de deux spécimens. En revanche, on remarque un fort recouvrement entre moutons et chamois, même si les barycentres des deux populations sont disposés de part et d’autre de l’axe 2. Ces premières observations indiquent qu’au moins certains des points-repères sélectionnés sont de bons marqueurs discriminants de la conformation géométrique de l’astragale pour ces espèces voisines. Ces résultats préliminaires nous invitent donc à poursuivre les analyses. Les prochaines étapes de ce travail vont consister à multiplier ou changer les point-repères, étudier les courbes et les surfaces de chaque objet. Par ailleurs, nous avons entrepris d’augmenter le corpus d’étude en enregistrant la conformation 3D des os de plusieurs dizaines d’individus issus de populations actuelles et archéologiques. Les spécimens de référence actuels vont nous permettre, dans le meilleur des cas, de mesurer l’influence des paramètres comme la race (pour les animaux domestiques), le sexe, l’âge d’abattage, les conditions de vie (captivité, semi-liberté, liberté), l’environnement ou l’alimentation.

Bibliographie

Boessneck J., Müller H.-H., Teichert M., 1964. Osteologische Unterscheidungsmerkmale zwischen Schaf (Ovis aries Linné) und Ziege (Capra hircus Linné). Kühn-Archiv 78, 1–129.

Cucchi T., Balasescu A., Bem C., Radu V., Vigne J.-D., Tresset A., 2011. New insights into the invasive process of the eastern house mouse (Mus musculus musculus): Evidence from the burnt houses of Chalcolithic Romania, The Holocene 21, 1195–1202.

Cucchi T., Baylac M., Evin A., Bignon-Lau O., Vigne J.-D., 2015. Morphométrie géométrique et archéozoologie : Concepts, méthodes et applications. In: Balasse M., Brugal J.-P., Geigl E.-M., Oberlin C., Reich I. (Eds), Messages d’os. Archéométrie du squelette animal et humain. Edition des Archives contemporaines, Sciences Archéologiques, Paris, 197–216.

Evin A., Cucchi T., Cardini A., Strand U., Larson G., Dobney K., 2013. The long and winding road: identifying pig domestication through molar size and shape. Journal of Archaeological Science 40, 735–743.

Evin A., Dobney K., Schafberg R., Owen J., Strand Vidarsdottir U., Larson G., Cucchi T., 2015. Phenotype and animal domestication: A study of dental variation between domestic, wild, captive, hybrid and insular Sus scrofa. BMC Evolutionary Biology 15, 1–16.

Evin A., Souter T., Hulme-Beaman A., Ameen C., Allen R., Viacava P., Larson G., Cucchi T.,Dobney K., 2016. The use of close-range photogrammetry in zooarchaeology: Creating accurate 3D models of wolf crania to study dog domestication. Journal of Archaeological Science: Reports 9, 87–93.

Fernandez H., 2001. Ostéologie comparée des petits ruminants eurasiatiques sauvages et domestiques (genres Rupicapra, Ovis, Capra et Capreolus): diagnose différentielle du squelette appendiculaire. Thèse de Doctorat. Université de Genève, Muséum d’histoire naturelle, Genève.

Rohlf J.F., Marcus L., 1993. A revolution morphometrics, Trends in Ecology & Evolution 8(4), 129–132.

R Core Team (2016). R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. URL https://www.R-project.org/

Les auteurs

Manon Vuillien, doctorante en archéozoologie à l’Université Côte d’Azur (Nice), CEPAM (UMR 7264)

Sabine Sorin, Assistante Ingénieur, responsable du plateau technique “Relevés 2D et 3D, modélisation et archivage des données”, CEPAM (UMR 7264)

Lionel Gourichon, chargé de recherche au CNRS, archéozoologue, CEPAM (UMR 7264)

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