As living organisms die and are turned into fossils they undergo a process called fossilization.  During this process many powerful forces can act on the fossil.  The origin of these forces comes from many places including: the weight of the material burying the fossil; and the stress from local tectonic activity.  These forces can break the fossil or change its shape so it no longer appears as it did when it was first buried.  Many techniques have been created to attempt to remove the effects of deformation on fossils.  One of the most popular of these techniques is simply piecing a broken fossil back together.  We believed that piecing certain skulls together is not enough to figure out what the fossil originally looked like.  Specifically we thought that if a skull had been both broken and had its shape changed, simply piecing it back together would not yield a good result.  To test this we took the skull of a Wooley Monkey, scanned it into a computer, changed the shape, broke it into pieces and then tried to fit it back together using the original skull and an oblong version (i.e. not true shape) of the original skull as templates. We checked the validity of each reconstruction by seeing how symmetrical the reconstruction was (most skulls are bilaterally symmetrical).  We found that the reconstruction using the oblong skull as a template was just as good (i.e. symmetrical) as those that used the real skull, and, in some cases, better.  This led us to believe that the effects of shape change have to be studied more carefully in broken fossils.

Resumen en Español

Re-evaluación en 3-D de la técnica de eliminación de la deformación basada en el método “en PUZZLe”

Alec A. Boyd y Ryosuke Motani

La retrodeformación es el proceso de eliminación en los fósiles de las distorsiones ocasionadas por estrés tectónico o por sobrecarga. Estos métodos son muy importantes para los paleontólogos porque pueden ser usados para estimar la verdadera forma de los fósiles, necesario en los estudios sobre sistemática, filogenenia o morfología funcional. La deformación puede ser quebradiza, produciendo la fractura del fósil y su separación en piezas, aunque sin alterar la forma de éstas, o plástica, en la cual se altera la forma aunque sin fracturar el fósil. Los efectos de la deformación plástica suelen ser obviados en fósiles que presentan una clara deformación quebradiza. Los estudios antropológicos sobre huesos con deformación quebradiza tienden a confiar en un simple reconstrucción “en puzzle”, en la cual las piezas fracturadas son reunidas de nuevo por métodos digitales o manuales. Estos métodos asumen que la mayor parte de la deformación es de tipo quebradiza, y que la forma original del fósil puede ser restaurada sin retrodeformación plástica. Hemos comprobado la validez de la reconstrucción “en puzzle” usando técnicas informáticas de tres dimensiones (3-D). Más específicamente, se ha examinado si fragmentos craneales deformados plásticamente pueden organizarse en un entorno controlado digitalmente para dar lugar a un “cráneo simétrico” que difiera morfológicamente de un cráneo real. Se digitalizó un cráneo de mono lanudo (Lagothrix lagotricha) usando un scanner láser 3-D. Dicho cráneo se fragmentó virtualmente y se deformó plásticamente para crear fragmentos craneales con una deformación plástica conocida. Se encontró que dichos fragmentos encajaban igualmente bien en la forma real del cráneo y en la forma incorrecta, lo que sugiere que los métodos “en puzzle” pueden dar lugar a reconstrucciones inexactas de los especímenes que superficialmente parecen correctas. Concluimos que la deformación plástica debe ser eliminada antes de proceder a la reconstrucción “en puzzle” del fósil.

PALABRAS CLAVE: deformación, eliminación, reconstrucción, Homínidos.

Translator: Manuel Salesa

Résumé en Français

RÉÉVALUATION TRIDIMENSIONNELLE DE LA TECHNIQUE DE SUPPRESSION DE LA DÉFORMATION DITE DU « CASSE-TÊTE »

Alec A. Boyd et Ryosuke Motani

La rétrodéformation est le procédé par lequel on supprime, sur les fossiles, les distorsions causées par des contraintes tectoniques ou la pression géostatique. Ces techniques sont très importantes en paléontologie car elles peuvent être utilisées pour évaluer les formes réelles des fossiles, étape préalable aux études systématiques, phylogénétiques ou de morphologie fonctionnelle. On observe deux types de déformations. La déformation cassante entraîne la fragmentation du spécimen tout en conservant la forme d’origine des morceaux brisés, tandis que la déformation plastique modifie la forme du spécimen sans toutefois le morceler. On ne tient souvent pas compte des effets de la déformation plastique lors de l’analyse des fossiles montrant une déformation cassante considérable. Les études anthropologiques portant sur les os à déformation cassante ont tendance à utiliser une technique de reconstitution de type « casse-tête » ou « puzzle » par laquelle on assemble manuellement ou numériquement les morceaux fragmentés du spécimen. Cette approche suppose que la majeure partie de la déformation est de type cassante et que la forme originelle du fossile peut être reconstituée sans avoir recours à la rétrodéformation plastique. 

Nous avons testé la validité des reconstitutions de type « casse-tête » à l’aide de techniques informatiques tridimensionnelles. Plus spécifiquement, nous avons examiné la possibilité de réunir, dans un environnement contrôlé numériquement, des morceaux de crâne plastiquement déformés de façon à recréer un 'crâne symétrique' qui diffère morphologiquement du vrai crâne. Le crâne d’un lagotriche (Lagothrix lagotricha) a été numérisé à l’aide d’un lecteur laser tridimensionnel. Ce crâne a ensuite été numériquement fragmenté puis plastiquement déformé afin d’obtenir des morceaux dont la déformation plastique est connue. Les résultats montrent que ces morceaux s’ajustent aussi bien au vrai crâne qu’à un crâne de forme incorrecte, ce qui suggère que la technique du « casse-tête » peut fournir une reconstitution d’un spécimen qui, en surface, peut sembler 'correcte' même si elle est en vérité inexacte. Nous en concluons que la déformation plastique du fossile doit être supprimée avant de procéder à une reconstitution de type « casse-tête ».

Mots-clés : déformation, suppression, reconstitution, hominidés. 

Translators: Michel Chartier and Martin Dubreuil

Deutsche Zusammenfassung

3-D Evaluierung der „Puzzle-Technik“ zur Aufhebung von Deformationen

Alec A. Boyd und Ryosuke Motani

Retrodeformation ist der Prozess bei dem Verformungen aufgehoben werden, die durch Tektonik oder Auflast in Fossilen entstehen. Diese Methoden sind für Paläontologen von besonderem Interesse, da sie benutzt werden können um die wahre Gestalt von Fossilien für systematische, phylogenetische oder funktionsmorphologische Untersuchungen abzuschätzen. Deformierungen können spröde sein, wobei das Fossil zerbricht, aber die einzelnen Stücke in ihrer Originalform erhalten bleiben, oder sie kann plastisch sein, wobei sich die Form verändert ohne zu zerbrechen. Die Auswirkungen der plastischen Deformation werden in stark spröde deformierten Fossilien oft übersehen. Anthropologische Untersuchungen an spröde deformierten Knochen basieren oft auf einem einfachen „Puzzlespiel“, wobei die zerbrochenen Teile manuell oder digital wieder zusammengesetzt werden. Diese Methoden setzen voraus, dass der Großteil der Deformation spröde war, und somit die Originalform des Fossils ohne plastische Rückverformung rekonstruiert werden kann. Wir haben die Aussagekraft der Puzzle-Rekonstruktion durch 3-D Computertechniken überprüft. Im einzelnen haben wir in einer digital kontrollierten Umgebung untersucht, ob plastisch verformte Schädelteile so arrangiert werden können, dass daraus ein symmetrischer Schädel entsteht, der sich morphologisch vom echten Schädel unterscheidet. Ein Schädel eines Wollaffen (Lagothrix lagotricha) wurde mit einem 3-D Laserscanner digitalisiert. Der Schädel wurde virtuell zerbrochen und anschließend plastisch deformiert, um Schädelteile mit bekannter plastischer Verformung zu erzeugen. Diese Teile passten gleich gut auf die echte Schädelform als auch auf eine falsche, was anzeigt, dass „Puzzle-Methoden“ zu fehlerhaften Fossilrekonstruktionen führen können, die oberflächlich korrekt erscheinen. Daraus schließen wir, dass plastische Deformationen entfernt werden müssen bevor eine „Puzzle-Rekonstruktion“ durchgeführt wird.

Translator: Sebastian Meier

Translator: Ashraf M.T. Elewa

Polski Abstrakt

Trójwymiarowa re-ewaluacja techniki usuwania deformacji bazującej na "rozwiązywaniu układanki"

Alec A. Boyd i Ryosuke Motani

Cofanie deformacji to proces usuwania zniekształceń w skamieniałościach spowodowanych przez przez napięcia tektoniczne i przeciążeniowe. Te metody są bardzo ważne dla paleontologów, gdyż mogą zostać użyte do oszacowania prawdziwego kształtu skamieniałości, potrzebnego dla badań systematycznych, filogenetycznych i morfologii funkcjonalnej. Deformacja może być łamliwa, gdy następuje rozłamanie okazu na części, ale oryginalne kształty odłamków pozostają niezmienione; lub też plastyczna, ze zmianą w oryginalnym kształcie, bez złamania. Skutki deformacji plastycznych są często pomijane w skamieniałościach silnie pokruszonych. Badania antropologiczne zajmujące się deformacjami łamliwymi kości zwykły polegać na prostej rekonstrukcji, "rozwiązywaniu układanki", w której odłamki są, ręcznie lub cyfrowo, składane z powrotem. Te metody zakładają, że większość deformacji to złamania i że oryginalny kształt skamieniałości może zostać przywrócony bez deformacji plastycznych. Przetestowaliśmy zasadność rekonstrukcji "rozwiązywania układanki" używając trójwymiarowych (3-D) technik komputerowych. Konkretniej - zbadaliśmy, czy plastycznie zdeformowane fragmenty czaszki mogą zostać złożone w "czaszkę symetryczną", która morfologicznie różni się od prawdziwej czaszki ze środowiska cyfrowo kontrolowanego. Czaszka małpy włochatej (Lagothrix lagotricha) została zdigitalizowana przy użycie trójwymiarowego skanera laserowego. Wirtualnie pofragmentalowaliśmy, a następnie plastycznie zdeformowaliśmy czaszkę, by uzyskać fragmenty czaszki z rozpoznanymi deformacjami plastycznymi. Odkryliśmy, że te kawałki dobrze pasują do prawdziwej czaszki i niewłaściwej czaszki równie dobrze, co sugeruje, że metody "rozwiązywania układanki" mogą prowadzić do niewłaściwych rekonstrukcji okazów, które nienaturalnie wydają się prawidłowe. Konkludujemy, że deformacja plastyczna musi zostać usunięta przed rekonstrukją skamieniałości metodą "rozwiązywania układanki".

Słowa kluczowe: deformacja, usuwanie, rekonstrukcja, hominidy

Translators: Dawid Mazurek and Robert Bronowicz