Résumé :
Pendant longtemps, la communauté paléontologique a généralement cru que les premiers tétrapodes séparaient leur tête des épaules et développaient un cou indépendant afin de permettre à leur tête de tourner plus librement, se nourrissant ainsi plus efficacement et évitant les prédateurs dans l'eau ou sur terre. Cependant, une nouvelle étude remet en question cette hypothèse répandue depuis des décennies : les premiers cous étaient en réalité assez raides, ce qui laissait à la tête une marge de mouvement très limitée.
Chez le poisson, les sangles sont attachées directement au crâne, le poisson ne peut donc tourner tout son corps que s'il veut regarder à gauche ou à droite. Il y a environ 380 millions d’années, certains animaux qui passaient de l’eau à la terre ont commencé à avoir un cou séparé de leur corps. Mais de nouvelles recherches montrent que ce changement structurel ne leur a pas donné beaucoup de liberté de mouvement. L’étude a combiné de nouvelles preuves fossiles avec une modélisation de tests mécaniques sur des poissons vivants, montrant que ces premiers cous restaient raides. Cette étude internationale a été menée par Tom Stewart, professeur adjoint de biologie à la Pennsylvania State University, et les résultats ont été publiés dans la revue Nature le 14 octobre.
La période Dévonienne remonte à environ 420 à 360 millions d'années. Les fossiles de cette période enregistrent de nombreux animaux présentant à la fois des caractéristiques aquatiques et des caractéristiques liées à la vie terrestre. Certains d'entre eux avaient des nageoires épaisses qui étaient peut-être suffisamment solides pour supporter leur poids corporel, leur permettant de se redresser dans des eaux peu profondes ou de se propulser le long du fond ; dans le même temps, des cous clairement différenciés ont également commencé à apparaître chez ces poissons de transition.
Stewart a déclaré qu'il s'agissait d'une période très intéressante de l'histoire de la Terre, lorsque les premières forêts se forment et que la Terre subit une réorganisation spectaculaire. Comprendre exactement quand et comment notre lignée est passée de l’eau à la terre, et quels systèmes anatomiques ont changé, constitue une partie importante de cette histoire. Il est intéressant de noter que bon nombre des changements survenus dans les os il y a environ 380 millions d’années se reflètent encore aujourd’hui dans notre corps.
Ce type de poisson de transition comprend Tiktaalik, dont les fossiles ont été trouvés sur l'île d'Ellesmere, dans le cercle polaire arctique, au Nunavut, au Canada. Stewart a déclaré que ce lot de matériel est important car Tiktaalik est l'un des plus proches parents des vertébrés membres, et il nous aide à reconstruire de nombreuses étapes intermédiaires dans la transition vers la vie sur terre, comme le passage de la succion de l'eau à la morsure sur terre, et de la nage à la marche.
Pour les ancêtres des tétrapodes (vertébrés à quatre membres), le fait de pouvoir regarder vers le bas ou sur les côtés les a peut-être aidés à trouver de la nourriture et à éviter les prédateurs dans les eaux peu profondes ou sur terre. Les scientifiques ont donc estimé qu’un mouvement indépendant de la tête pourrait être plus utile dans un tel environnement qu’en eau profonde. Stewart a déclaré que Tiktaalik avait été décrit pour la première fois en 2006 et que pendant des décennies, on avait raisonnablement supposé que cette séparation de la tête et des épaules devait permettre à la tête de bouger plus librement. Par conséquent, l’hypothèse selon laquelle « la mobilité du cou est le moteur évolutif de ce changement dans la structure corporelle des tétrapodes » a été dominante, du moins jusqu’à présent.
Pour tester cette explication, il faut reconstruire une colonne vertébrale différente de celle de la plupart des vertébrés d'aujourd'hui. Les premiers tétrapodes et leurs proches avaient un tissu en forme de bâtonnet appelé notocorde qui parcourait toute la longueur de leurs épines ; leurs vertèbres étaient très petites, disposées autour de cette masse géante de tissus mous, et leur comportement mécanique était très différent des articulations entre les vertèbres des animaux modernes. Stewart explique que les épines des poissons subissant ces changements sont principalement constituées de tissus mous, qui ne se conservent pas aussi facilement dans les fossiles que les os. Dans ce cas, les animaux modernes peuvent être utilisés comme référence au passé, tout comme les oiseaux vivants nous aident à comprendre les dinosaures disparus.
Les épines construites autour d'une notocorde sont rares aujourd'hui, mais étaient autrefois courantes tout au long de l'histoire de la vie. L'esturgeon, un poisson apparenté parfois appelé « fossile vivant » en raison de ses caractéristiques originales, conserve toujours cette colonne vertébrale, ce qui en fait un sujet utile pour étudier les propriétés mécaniques manquantes du fossile. "Nous voulons comprendre comment vivaient ces premiers animaux à quatre pattes et comment cela se reflétait dans les changements survenus dans leur corps", a déclaré Stewart. Il est très difficile de reconstituer où vit un animal, comment il se déplace et quel est son comportement. Ce qui rend cette étude remarquable, c'est qu'elle combine des données fossiles avec des études sur des animaux vivants pour reconstruire ce que les changements anatomiques que nous observons signifient pour leur comportement d'un point de vue mécanique et fonctionnel.
Les chercheurs ont mesuré la rigidité de la notocorde des esturgeons modernes, puis ont appliqué ces propriétés matérielles à des modèles de cou d'anciens tétrapodes et de parents transitionnels tels que Tiktaalik pour tester si la séparation des épaules du crâne permettrait réellement à la tête de bouger librement compte tenu de la structure vertébrale existante. Dana Konessel, première auteure de l'article et chercheuse postdoctorale à l'Université d'Uppsala en Suède, a déclaré qu'elle avait mené cette étude pour découvrir l'impact de ce changement anatomique sur ces animaux. La structure de la colonne vertébrale des esturgeons est similaire à celle des premiers tétrapodes, mais elle ne semble pas particulièrement rigide. Elle a donc été surprise de constater que presque tous ces animaux manquent de mobilité significative de la tête après modélisation.
Ces estimations ne prennent en compte que la colonne vertébrale elle-même. Les muscles, la peau et les os incrustés dans la peau de bon nombre de ces animaux peuvent restreindre davantage les mouvements, ce qui signifie que l'amplitude de mouvement du cou d'un animal réel peut être plus petite que ce que le modèle suggère. Ces animaux ne lèvent pas plus la tête que les poissons, et parfois moins, et le genre de torsion de la tête que nous pouvons faire lorsque nous secouant la tête n'est pas possible chez ces animaux, a déclaré Konessel.
Étant donné que la tête a gagné peu d'espace pour des mouvements supplémentaires, les chercheurs suggèrent que l'émergence d'un cou indépendant est plus probablement le résultat de changements anatomiques associés à la locomotion des membres antérieurs, une plus grande flexibilité étant davantage un bénéfice ultérieur qu'un avantage qui a initialement provoqué la séparation de la tête et des épaules. "Nous savons que les tétrapodes ont finalement acquis une plus grande mobilité du cou, ce qui était clairement avantageux, mais les premiers tétrapodes n'ont pas pu bénéficier de cet avantage en raison de contraintes anatomiques", a déclaré Konessel.
L'article s'intitule "Modélisation de la mobilité du cou chez les premiers tétrapodes à l'aide d'analogies existantes" et les auteurs incluent Dana E. Cornesel, Cassandra M. Donatelli, Han Linfang, Thomas A. Stewart, Andrew L. Traynor, Benjamin K. A. Otto, Marcos Martinez, Tetsuo Miyashita, Emily M. Standen et Hilary C. Martin. La recherche a été soutenue par une bourse de recherche étudiante Steven Cohen de la Société de paléontologie des vertébrés et par un financement du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.
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