Une étude révèle les méandres de l’évolution des mammifères, d’une posture tentaculaire à une posture verticale

Les mammifères, y compris les humains, se distinguent par leur posture verticale distinctive, un trait clé qui a alimenté leur succès évolutif spectaculaire. Pourtant, les premiers ancêtres connus des mammifères modernes ressemblaient davantage à des reptiles, avec des membres écartés sur le côté dans une posture étalée.

Le passage d’une position étalée, comme celle des lézards, à la posture verticale des mammifères modernes, comme chez les humains, les chiens et les chevaux, a marqué un moment charnière dans l’évolution.

Cela impliquait une réorganisation majeure de l’anatomie et de la fonction des membres des synapsides – le groupe qui comprend à la fois les mammifères et leurs ancêtres non mammifères – conduisant finalement aux mammifères thériens (marsupiaux et placentaires) que nous connaissons aujourd’hui. Malgré plus d’un siècle d’études, le « comment », le « pourquoi » et le « quand » exacts derrière ce saut évolutif restent insaisissables.

Maintenant, dans une étude publiée dans Avancées scientifiques, Des chercheurs de Harvard apportent de nouvelles informations sur ce mystère, révélant que le passage d’une posture étendue à une posture verticale chez les mammifères était tout sauf simple.

En utilisant des méthodes de pointe associant des données fossiles à une modélisation biomécanique avancée, les chercheurs ont découvert que cette transition était étonnamment complexe et non linéaire, et qu’elle s’était produite beaucoup plus tard qu’on ne le pensait auparavant.

L’auteur principal, le Dr Peter Bishop, chercheur postdoctoral, et l’auteure principale, la professeure Stephanie Pierce, tous deux du Département de biologie organique et évolutive de Harvard, ont commencé par examiner la biomécanique de cinq espèces modernes qui représentent le spectre complet des postures des membres, y compris une un lézard tegu (étalé), un alligator (semi-debout) et un lévrier (debout).

“En étudiant d’abord ces espèces modernes, nous avons grandement amélioré notre compréhension de la relation entre l’anatomie d’un animal et sa façon de se tenir debout et de se déplacer”, a déclaré Bishop. “Nous pourrions alors le placer dans un contexte évolutif de la façon dont la posture et la démarche ont réellement changé depuis les premières synapsides jusqu’aux mammifères modernes.”

Les chercheurs ont étendu leur analyse à huit espèces fossiles exemplaires provenant de quatre continents et couvrant 300 millions d’années d’évolution. Les espèces allaient du proto-mammifère Megazostrodon de 35 g à l’Ophiacodon de 88 kg, et comprenaient des animaux emblématiques comme le Dimetrodon à voile et le prédateur à dents de sabre Lycaenops.

En utilisant des principes de physique et d’ingénierie, Bishop et Pierce ont construit des modèles biomécaniques numériques de la manière dont les muscles et les os s’attachent les uns aux autres. Ces modèles leur ont permis de générer des simulations déterminant la force que les membres postérieurs (pattes arrière) pouvaient appliquer au sol.

“La quantité de force qu’un membre peut appliquer au sol est un déterminant essentiel de la performance locomotrice chez les animaux”, a déclaré Bishop. “Si vous ne pouvez pas produire suffisamment de force dans une direction donnée lorsque cela est nécessaire, vous ne pourrez pas courir aussi vite, tourner aussi vite, ou pire encore, vous pourriez bien tomber.”

Les simulations informatiques ont produit un « espace de force réalisable » tridimensionnel qui capture la performance fonctionnelle globale d’un membre. “Le calcul des espaces de forces réalisables prend en compte implicitement toutes les interactions qui peuvent se produire entre les muscles, les articulations et les os d’un membre”, a déclaré Pierce.

“Cela nous donne une vision plus claire de la situation dans son ensemble, une vision plus holistique de la fonction et de la locomotion des membres et de leur évolution sur des centaines de millions d’années.”

Bien que le concept d’espace de force réalisable (développé par des ingénieurs biomédicaux) existe depuis les années 1990, cette étude est la première à l’appliquer aux archives fossiles pour comprendre comment les animaux disparus se déplaçaient autrefois.

Les auteurs ont intégré les simulations dans de nouveaux outils informatiques « respectueux des fossiles » qui peuvent aider d’autres paléontologues à explorer leurs propres questions. Ces outils pourraient également aider les ingénieurs à concevoir de meilleurs robots bio-inspirés, capables de naviguer sur des terrains complexes ou instables.

L’étude a révélé plusieurs « signaux » importants de locomotion, notamment le fait que la capacité globale de génération de force chez les espèces modernes était maximale autour des postures utilisées par chaque espèce dans son comportement quotidien. Surtout, cela signifiait que Bishop et Pierce pouvaient être sûrs que les résultats obtenus pour les espèces éteintes reflétaient véritablement la façon dont elles se tenaient et se déplaçaient de leur vivant.

Après avoir analysé les espèces disparues, les chercheurs ont découvert que les performances locomotrices atteignaient et diminuaient au fil des millions d’années, plutôt que de progresser de manière simple et linéaire, de l’étalement à la position verticale.

Certaines espèces disparues semblaient également plus flexibles, capables de passer d’une posture plus étendue à une posture plus droite, comme le font les alligators et les crocodiles modernes. Tandis que d’autres ont montré un fort renversement vers des postures plus étendues avant l’évolution des mammifères.

Associé aux autres résultats de l’étude, cela indique que les traits associés à la posture verticale chez les mammifères d’aujourd’hui ont évolué beaucoup plus tard qu’on ne le pensait auparavant, très probablement à proximité de l’ancêtre commun des thériens.

Ces découvertes aident également à résoudre plusieurs problèmes non résolus dans les archives fossiles. Par exemple, cela explique la persistance d’articulations asymétriques des mains, des pieds et des membres chez de nombreux ancêtres mammifères, traits généralement associés aux postures tentaculaires chez les animaux modernes.

Cela peut également aider à expliquer pourquoi les fossiles des premiers ancêtres des mammifères sont fréquemment trouvés dans une pose d’aigle écrasé et écarté – une pose plus susceptible d’être obtenue avec des membres étalés, alors que les fossiles placentaires et marsupiaux modernes se trouvent généralement couchés sur le côté.

“C’est très gratifiant en tant que scientifique, lorsqu’un ensemble de résultats peut aider à éclairer d’autres observations, nous rapprochant ainsi d’une compréhension plus globale”, a déclaré Bishop.

Pierce, dont le laboratoire étudie l’évolution du plan corporel des mammifères depuis près d’une décennie, note que ces résultats concordent avec les schémas observés dans d’autres parties du corps synapside, comme la colonne vertébrale.

“Il apparaît que l’ensemble des traits typiquement thériens a été assemblé sur une période complexe et prolongée, l’ensemble complet étant atteint relativement tard dans l’histoire des synapsides”, a-t-elle déclaré.

Au-delà des mammifères, l’étude suggère que certaines transitions évolutives majeures, comme le passage à une posture verticale, étaient souvent complexes et potentiellement influencées par des événements fortuits. Par exemple, le fort renversement de la posture des synapsides, retour à des poses plus étendues, semble coïncider avec l’extinction massive du Permien-Trias, lorsque 90 % de la vie a été anéantie.

Cet événement d’extinction a conduit d’autres groupes, comme les dinosaures, à devenir les groupes d’animaux dominants sur terre, repoussant les synapsides dans l’ombre. Les chercheurs supposent qu’en raison de cette « marginalisation écologique », la trajectoire évolutive des synapsides pourrait avoir tellement changé qu’elle a modifié leur façon de se déplacer.

Que cette hypothèse s’avère fondée ou non, comprendre l’évolution de la posture des mammifères a longtemps été un casse-tête complexe. Pierce a souligné comment les progrès de la puissance de calcul et de la modélisation numérique ont offert aux scientifiques de nouvelles perspectives pour aborder ces mystères anciens.

“L’utilisation de ces nouvelles techniques avec des fossiles anciens nous permet d’avoir une meilleure perspective de la façon dont ces animaux ont évolué, et de comprendre qu’il ne s’agissait pas seulement d’une histoire évolutive simple et linéaire”, a-t-elle déclaré. “C’était vraiment compliqué et ces animaux vivaient et se déplaçaient probablement dans leur environnement d’une manière que nous n’avions pas appréciée auparavant. Il se passait beaucoup de choses et les mammifères d’aujourd’hui sont vraiment très spéciaux.”