Mieux comprendre l’adaptation des os chez les animaux lourds
Les pattes d’un éléphant sont très sollicitées. Ces herbivores surdimensionnés peuvent peser jusqu’à six tonnes, et leurs os doivent soutenir ce poids. Pour ce faire, comme d’autres grands vertébrés, ils ont développé des adaptations morpho-fonctionnelles, un phénomène décrit comme graviportal. «Étonnamment, malgré leur importance supposée, les changements adaptatifs associés à la graviportalité sont très peu étudiés», explique Alexandra Houssaye, directrice de recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) rattachée au Muséum national d’histoire naturelle de Paris et coordinatrice du projet GRAVIBONE. Dans le cadre du projet GRAVIBONE, financé par le Conseil européen de la recherche, des chercheurs se sont intéressés aux modifications des structures à la fois interne et externe des os chez les animaux présentant un poids élevé, afin de comprendre comment elles ont évolué de concert. «Nous avons analysé les os des membres des vertébrés terrestres modernes les plus lourds (éléphants, rhinocéros et hippopotames) et de mammifères comparativement moins massifs, tels que les bovidés et les tapirs», explique Alexandra Houssaye. «Nous avons également examiné différents dinosaures.»
Étudier les grands animaux du passé
Bien que seules quelques espèces lourdes et de grande taille existent encore aujourd’hui, les archives fossiles sont remplies d’exemples très diversifiés du passé. L’équipe a utilisé la morphométrie géométrique 3D pour analyser en détail la forme externe de nombreux os, après avoir reconstruit les modèles 3D en laboratoire. «Ces modèles 3D sont mis à la disposition de la communauté scientifique sur des référentiels en ligne», indique Alexandra Houssaye. Les scientifiques ont également utilisé la tomographie assistée par ordinateur pour étudier la structure interne d’os conservés dans les musées d’histoire naturelle de Londres et de Paris. Ils ont ensuite effectué des observations en 3D de la structure interne des os entiers, en élaborant une approche innovante conçue en laboratoire. À l’aide d’analyses biomécaniques des données musculaires, l’équipe a construit un modèle biomécanique des membres des rhinocéros et a examiné leurs caractéristiques structurelles en fonction des contraintes mécaniques afin de caractériser clairement et en détail les relations forme-fonction.
Cortex épaissi et colonnes solides
L’équipe a détaillé les adaptations externes et internes des os longs des membres des géants modernes et fossiles tels que les rhinocéros. Elle a montré que les os des membres antérieurs, en particulier le radius, sont plus marqués chez ces espèces. Le tapir malais, qui peut dépasser 300 kg, présente un épaississement marqué du cortex compact à l’intérieur de ses os longs, beaucoup plus important que chez le banteng et le bison, qui pèsent deux fois plus, ou que chez le rhinocéros. «Cela suggère que la structure interne des os de cette espèce doit se spécialiser pour compenser des changements morphologiques limités et supporter le poids relativement important de ce tapir», explique Alexandra Houssaye. Quant aux types les plus lourds (les éléphants et, dans une plus large mesure, les dinosaures sauropodes, tels que Diplodocus ou Brachiosaurus), ils possèdent des os longs moins massifs et présentent étonnamment un épaississement assez limité du cortex. Cela suggère que la disposition en colonnes de leurs membres réduit la nécessité de renforcer les structures externes et internes des os.
De nouveaux modèles de colonnes bioinspirés
Outre le fait de nous apporter des informations sur la forme, le mouvement et la posture de taxons disparus tels que les dinosaures, les résultats permettront de mieux comprendre les phénomènes d’adaptation des os en général. «Cela pourrait permettre de mieux caractériser les traits adaptatifs et la locomotion dans la faune moderne, mais aussi de mieux utiliser ces relations forme-fonction en médecine», note la chercheuse. L’équipe a également élaboré des projets de bioinspiration et de paléobioinspiration, empruntant des idées aux os d’animaux lourds pour construire des colonnes plus résistantes avec moins de matériaux.
Mots‑clés
GRAVIBONE, os, éléphants, herbivores, fossile, cortex, membres, structures, bioinspirant, bêtes