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Percer les secrets de notre passé pléistocène
L'analyse statistique aide les paléontologues à découvrir de nouvelles vérités sur la mégafaune de l'ère glaciaire
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Défi: Passez au crible les données d'une collection de près de 5 millions de spécimens pour découvrir comment les événements climatiques influencent la microévolution des espèces sur Terre.
Solution: Utilisez des modèles statistiques pour trouver les valeurs aberrantes dans l'ensemble de données qui doivent être remesurées et reclassées. La visualisation dynamique des données dans le logiciel de découverte statistique JMP® aide les paléontologues à repérer rapidement les anomalies qui, si elles ne sont pas corrigées, pourraient menacer l'intégrité des résultats.
Résultats: « La possibilité d'être interactif avec vos données, d'explorer les zones à problèmes dans une visualisation et de les étiqueter, vous aide à examiner le spécimen et à vous assurer que les données sont vraiment correctes », explique la paléontologue Sherri Gust. « Toutes ces fonctionnalités de JMP sont extrêmement précieuses pour cette étape de la recherche. »
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Pendant des dizaines de milliers d'années, des dépôts d'asphalte souterrains naturels se sont infiltrés à la surface, créant des puits de goudron temporaires ayant le pouvoir de piéger toute créature qui errait trop près. Ces sites naturels sont depuis devenus le cimetière d'espèces aujourd'hui disparues dont les ossements se sont enfoncés profondément dans le gisement où le pétrole lourd des fosses les a préservés de l'aube de la dernière période glaciaire à nos jours.
La valeur scientifique de ces gisements a été largement reconnue au moment où les fouilles ont commencé en 1901 à Rancho La Brea Tar Pits dans ce qui est aujourd'hui le centre urbain de Los Angeles. Depuis lors, les archéologues du site ont amassé la plus grande collection au monde de fossiles d'asphalte du Pléistocène supérieur, y compris des exemples impressionnants de mégafaune aujourd'hui éteinte – parmi eux, des mammouths, des paresseux géants et des chats à dents de sabre. Avec entre 3,5 et 5 millions de spécimens couvrant les 50 000 dernières années, cette collection est peut-être l'une des ressources les plus complètes dont les scientifiques disposent pour aider à reconstruire un portrait non seulement de la flore et de la faune de la période glaciaire, mais aussi des principaux événements géologiques et climatiques de la période.
À la recherche des archives fossiles pour mieux comprendre le changement climatique
Certaines des plus grandes questions de recherche dans le domaine de la paléontologie aujourd'hui portent sur les conséquences microévolutives du changement climatique. Résultat d'une mutation, d'une sélection, d'un flux de gènes ou d'une dérive génétique, la microévolution est tout changement dans la fréquence des traits apparaissant dans une population sur une période relativement courte. Les scientifiques émettent maintenant l'hypothèse que le changement climatique peut non seulement interférer avec les aspects abiotiques et biotiques de la sélection, mais qu'il pourrait également avoir un impact sur l'ampleur de facteurs non sélectifs comme la variance génétique.
En cartographiant les données de physiologie des espèces des archives fossiles sur une chronologie des événements climatiques connus, les scientifiques espèrent voir comment le climat peut être corrélé avec les microévolutions qu'ils observent au sein d'une population donnée. Pour ce faire, ils se tournent vers des collections comme celle de La Brea, où chaque spécimen peut être méticuleusement mesuré, daté au radiocarbone et catalogué selon une longue liste de caractéristiques et d'identifiants.
Os de mâchoire de la collection Tar Pits "Pour vraiment regarder le changement climatique, vous devez non seulement examiner les changements d'espèces au fil du temps, mais vous devez également différencier les changements induits par le climat des changements aléatoires", explique la paléontologue Sherri Gust, associée de recherche de la Paléontologie des vertébrés et Rancho La. Départements Brea du Musée d'histoire naturelle du comté de Los Angeles.
Gust, qui est également fondateur et paléontologue principal de la société de gestion des ressources, Cogstone, note que les chercheurs s'attendent à une variation physiologique au sein de tout échantillon en raison de facteurs tels que l'âge et le sexe ; par exemple, un nouveau-né est susceptible d'être beaucoup plus petit qu'un adulte adulte. Mais s'il peut être relativement facile de tenir compte de ces facteurs dans les études impliquant des populations animales vivantes (où les observations des chercheurs sur le terrain les aident à identifier clairement le sexe et l'âge au décès), rendre ces déterminations devient beaucoup plus difficile dans les spécimens collectés à La Brea. .
Site de fouilles archéologiques à La Brea Tar Pits
Les phénomènes géologiques naturels qui ont préservé les ossements excavés de La Brea, explique Gust, ont stratifié les squelettes à travers le gisement et leur ADN s'est dégradé au fil du temps. Il peut donc être difficile de déterminer non seulement le sexe et l'âge d'un animal au moment de sa mort, mais aussi l'espèce et la période de vie de l'animal. Alors que les innovations technologiques modernes permettent aujourd'hui à Gust et à ses collègues de faire ces identifications avec plus de précision, le défi supplémentaire de la collection La Brea est que bon nombre de ses 5 millions d'os individuels ont été mesurés et catalogués il y a près d'un siècle avant l'avènement de cette technologie.
Mettre un mythe au repos
Le plus prolifique des animaux du Pléistocène supérieur découverts dans les fosses de goudron de La Brea est le loup terrible, Canis dirus , un ancêtre carnivore du loup gris moderne, Canis lupus, qui parcourait autrefois une vaste bande de terre en Amérique du Nord. Maintenant éteinte, les scientifiques pensent que l'espèce a atteint la fin de son évolution il y a environ 9 500 ans. Avec plus de 4 000 individus de loups terribles représentés dans les collections de La Brea, l'espèce est devenue un acteur clé de la recherche mondiale sur le Pléistocène en Amérique du Nord.
La Bréa Canis collection, cependant, contient certains des premiers spécimens à être catalogués par les archéologues sur le site au début du 20 e siècle. Les données enregistrées à partir de chaque spécimen à cette époque ont probablement été affectées non seulement par un manque de précision technologique, mais aussi par l'idée désormais démystifiée que le loup terrible était beaucoup plus gros que son homologue moderne. Cette dénaturation, explique Gust, peut provenir – et même perpétuer – d'une mythologie entourant les loups terribles : celle d'un géant menaçant et redoutable. Bien qu'il ne soit pas rare de lire que les loups géants sont entre 8 % et 25 % plus gros que les loups modernes, dit-elle, ce n'est pas vrai : les scientifiques savent maintenant que les loups géants adultes, comme leurs homologues modernes, pesaient environ 150 livres.
Mais la prévalence de telles idées fausses a conduit 20 e archéologues du siècle pour caractériser des squelettes plus gros Canis dirus et des squelettes plus petits Canis lupus . En conséquence, explique Gust, certains spécimens de La Brea sont probablement mal étiquetés. « Les premiers scientifiques ici à La Brea il y a près de cent ans travaillaient avec de très petits échantillons », dit-elle. « Ils n'avaient pas la variation dans leurs données qui leur aurait permis d'être beaucoup plus clair. Et ils n'avaient pas accès à un échantillon de données de loups gris [pour comparer des échantillons de loups terribles].
"En tant que chercheur, vous devez avoir les bons critères et identifier les spécimens pour vous-même afin que vous sachiez que ce que vous dites dans vos résultats de recherche est vraiment correct", explique Gust. Mais avec une collection aussi énorme et un temps et des ressources limités, il est peu pratique pour les chercheurs de remesurer et de réenregistrer chaque spécimen de l'ensemble de données.
C'est pourquoi Gust utilise une approche statistique dans le logiciel JMP® pour identifier les valeurs aberrantes. « L'une des premières choses que font la plupart des statisticiens est d'examiner la distribution de leurs données », explique-t-elle en désignant une visualisation de données avec une courbe en cloche inclinée. Gust examine un ensemble de données de longueur de mandibule, notant les valeurs aberrantes dans les petits pics et les bosses de l'ajustement. Lorsqu'elle repère un pic inattendu, elle regarde d'abord les données pour voir s'il y a une explication - peut-être que ce spécimen doit être remesuré.
Prendre le temps de vérifier la qualité de son échantillon de données sous-jacent, dit-elle, conduit à des résultats plus précis, même si ces résultats ne peuvent conduire qu'à plus de questions. « Avec les statistiques, on a vraiment la possibilité maintenant de mettre sur papier les critères pour être un Canis dirus contre un Canis lupus . Auparavant, cela n'existait pas vraiment », explique-t-elle.
Dent et ongle
Certaines des informations les plus précieuses recueillies auprès de tout spécimen de loup se trouvent dans la mâchoire. « Parce que l'os est un tissu très réactif, plus il y a de pression, plus l'os doit être épais », explique Gust. En prenant 3 mesures de profondeur d'émail - la deuxième molaire au bas de la mandibule, la quatrième prémolaire et la longueur de la mandibule elle-même - elle et son équipe ont une meilleure idée de l'âge de l'animal au moment de sa mort. Elle peut également examiner les cicatrices musculaires, les crêtes et les crénelures pour mieux comprendre ; les animaux plus âgés auront plus de différenciation tandis que les animaux plus jeunes auront des os plus lisses. Toutes ces caractéristiques aident l'équipe de Gust à développer une séquence d'âge et à définir une classification par âge pour chaque échantillon.
Une autre option est la datation au radiocarbone, une technique qui mesure l'étendue de la désintégration du radiocarbone pour déterminer la durée qui s'est écoulée depuis la mort d'un animal ; plus l'échantillon est ancien, moins il y a d'isotope radioactif à détecter. Comme la méthode nécessite une analyse destructive, explique Gust, les techniciens de La Brea utilisent l'imagerie 3D et une imprimante 3D pour créer une réplique afin que le spécimen réel puisse être percé sans perdre l'enregistrement physique.
Après reclassement des valeurs aberrantes dans le Canis dirus données, Gust examine ensuite les ensembles de données sur le sexe connu d'organisations comme le Yellowstone Wolf Project et Parcs Canada. « Nous pouvons maintenant comparer les deux [espèces] et le résultat est très intéressant », dit-elle, expliquant qu'à la minute où elle a tracé les deux ensembles de données ensemble dans JMP, elle a remarqué quelque chose de surprenant. 
« J'ai récupéré toutes les données, les ai examinées et j'ai dit 'wow, pourquoi c'est comme ça ?' Je ne m'attendais pas à ce que les spécimens de Yellowstone se situent au milieu de la gamme des grands loups. Mais c'est ça JMP, n'est-ce pas ? Découvrir l'inattendu.
Descendez les terriers avec l'exploration de données dans JMP
Depuis qu'il a découvert JMP il y a quelques années, Gust a utilisé le logiciel pour créer des visualisations interactives où les valeurs aberrantes deviennent visuellement apparentes. Et avec l'interface dynamique de l'outil, elle peut interagir avec les distributions de données. « J'adore JMP », déclare Gust. « C'est un outil formidable à utiliser pour examiner ces changements et essayer de comprendre ce qui se passe dans les données. L'interactivité est l'une de mes choses préférées – vous pouvez dire : « J'aimerais explorer cela davantage. Et vous pouvez parcourir les terriers du lapin très facilement avec JMP, ce qui est une chose merveilleuse à pouvoir faire. »
L'une des fonctionnalités qui facilite cette exploration, selon Gust, est la possibilité d'attacher des photos et des spécifications de spécimens à chaque point de données dans une visualisation - ou même d'utiliser le numéro de spécimen à la place d'un point. Démontrant une distribution des données de la mandibule, Gust passe son curseur sur l'une des valeurs aberrantes alors qu'une photo apparaît. « Avoir ces photos est vraiment utile car si, par exemple, j'avais oublié de mesurer une dent, tout ce que j'aurais à faire serait d'appeler cette photo dans [notre logiciel de mesure] et de mettre à jour la mesure. Cela a été une partie importante de notre processus de vérification des données », dit-elle.
« La possibilité d'être interactif avec vos données, d'explorer les zones à problèmes dans une visualisation et de les étiqueter, vous aide à revenir sur l'échantillon et à vous assurer que les données sont vraiment correctes. Toutes ces fonctionnalités de JMP sont extrêmement précieuses pour cette étape de la recherche, lorsque vous essayez simplement de déterminer quelle est la variation. Et trouvez la source de la variation que nous voyons dans ces graphiques.
Au fur et à mesure que ses recherches progressent, les possibilités sont infinies et Gust explore ce qu'elle peut faire de plus pour utiliser les données comparatives. Par exemple, dit-elle, les données d'individus de sexe connu de Yellowstone (dont le sexe peut être déterminé par prélèvement d'ADN) peuvent être utilisées pour classer les inconnues via une fonction discriminante. Les résultats pourraient transformer la réflexion des scientifiques sur la façon dont la taille est – ou non – corrélée avec le sexe et l'âge.
