3D bone analysis for improving species identification: a case study on scapulae of selected small toothed whales occurring along the Dutch coast

Artikel in Lutra 61-2, 2018

 

Trefwoorden / keywords:

automated image analysis, bioinformatics, cetaceans, interactive identification key, Linnaeus NG, photogrammetry, harbour porpoise (Phocoena phocoena), common dolphin (Delphinus delphis), white-beaked dolphin (Lagenorhynchus albirostris).

Summary

>

Carcasses are sometimes difficult to identify to species level when the head is lacking. The shoulder blade, or scapula, is often still well preserved in degraded carcasses though, and it can also be found in the archaeological and fossil record. Without any context, identification of these bones to the correct species can be cumbersome. In this pilot study, we investigated whether scapulae of small toothed whales (Odontoceti) possess sufficient unique features to discriminate between similar looking species. There is a clear need for this as illustrations of extinct and extant species occurring along the Dutch coast are available in outdated literature only. Photographs were taken from scapulae of 16 harbour porpoises (Phocoena phocoena), three common dolphins (Delphinus delphis) and three white-beaked dolphins (Lagenorhynchus albirostris). These were subsequently edited manually or semi-automatically. Overlapping pictures were aligned with specific software into a three-dimensional (3D) model. To compare the 3D models, 60 (semi-)landmarks were placed on each scapula. These landmarks were subsequently analysed with a newly created online bioinformatics pipeline (github.com/naturalis/3d-cetaceanscapulae). This pipeline produces a wireframe plot that visualises the differences between the bones investigated. The most discriminative components of the scapulae analysed could be identified. These components were the acromion, coracoid and glenoid cavity. An on-line interactive identification key was built (cetaceanscapulae.linnaeus. naturalis.nl/) with these characters. With the underlying bioinformatics pipeline, many more bones of fossil and extant animal species found on the beach and in museum depots can now be analysed to improve their identification.

Samenvatting

>

Karkassen zonder kop zijn soms lastig te identificeren. Het schouderblad, of scapula, in een karkas is echter vaak nog intact. Dit bot wordt ook los gevonden als fossiel op het strand, bij archeologische opgravingen, en in museumdepots. Zonder context is zo’n bot niet altijd makkelijk tot op de juiste soort te determineren. Wij hebben onderzocht of in het schouderblad voldoende onderscheidende kenmerken aanwezig zijn om sterk op elkaar lijkende soorten kleine tandwalvissen (Odontoceti) van elkaar te onderscheiden en op basis van die kenmerken een interactieve identificatiesleutel te maken. Daar is veel behoefte aan omdat illustraties van skeletten van dolfijnen en walvissen alleen te vinden zijn in verouderde literatuur. Er zijn 3D modellen van 22 scapulae gemaakt van museumobjecten van 16 bruinvissen, drie gewone dolfijnen en drie witsnuitdolfijnen met fotogrammetrie. Vervolgens is een bio-informatica pijplijn gebouwd (github.com/naturalis/3d-cetacean- scapulae) om de verschillen tussen de onderzochte soorten te visualiseren. Daarmee zijn onderdelen van scapulae geïdentificeerd die het meest geschikt zijn om de verschillende soorten walvissen en dolfijnen van elkaar te onderscheiden. Drie componenten van de scapulae bleken voldoende informatief voor het onderscheiden van de verschillende soorten, namelijk het schouderdak (acromion), het ravenbekuitsteeksel (processus coracoideus) en het gewrichtsvlak (glenoid). Deze onderdelen zijn gebruikt om een interactieve identificatiesleutel in Linnaeus NG te maken, die op internet te vinden is (cetaceanscapulae.linnaeus. naturalis.nl/). Met dezelfde bio-informatica pijplijn kunnen nu ook andere botten geanalyseerd worden om identificatie tot op de juiste soort te vergemakkelijken.