Les premiers vertébrés dotés de mâchoires et de dents
Il y a plus de 400 millions d'années, les placodermes — des poissons cuirassés dont le corps était enfermé dans des plaques osseuses — sont devenus les premiers vertébrés sur Terre à développer des mâchoires et des dents. Ce jalon évolutif précède les dinosaures de plusieurs centaines de millions d'années et a ouvert la voie à presque tous les animaux qui mordent, mâchent et avalent, y compris les humains.
Une nouvelle étude de l'Université Flinders a désormais reconstitué la manière dont un groupe de ces anciens prédateurs utilisait réellement leur bouche. En travaillant sur des fossiles provenant d'un ancien récif qui recouvrait autrefois ce qui est aujourd'hui le nord de l'Australie-Occidentale, les chercheurs ont découvert que les placodermes vivant il y a environ 385 millions d'années avaient adopté non pas une, mais deux solutions distinctes pour venir à bout de proies qui se défendaient.
Deux stratégies pour percer les armures
La principale conclusion est une division de l'équipement alimentaire entre des espèces de tailles différentes. Les plus petits placodermes examinés dans l'étude dépendaient de larges plaques broyeuses plates capables de pulvériser des proies entières en une seule morsure. Les espèces plus grandes ont emprunté une voie totalement différente, développant des dents semblables à des armes, capables de percer et de briser des animaux à coquille et cuirassés simplement trop gros pour être avalés.
Les deux approches résolvaient le même problème fondamental — traverser une enveloppe dure pour atteindre les tissus mous à l'intérieur — mais les réponses anatomiques ne se ressemblent en rien. L'une est une presse broyeuse. L'autre est un ensemble d'instruments pénétrants.
Des mâchoires faites de plaques appariées, et non d'un os unique
Comprendre l'alimentation des placodermes exige de mettre de côté les hypothèses issues des animaux modernes. Comme l'a expliqué l'auteur principal, le Dr Rex Mitchell, qui étudie la relation entre le régime alimentaire et la forme du crâne, les placodermes ne possédaient pas un os mandibulaire unique comme la plupart des vertébrés vivants, y compris les humains. Leurs mâchoires étaient plutôt assemblées à partir de plaques osseuses appariées soutenues par du cartilage, et les surfaces mordantes de ces plaques allaient de larges plateformes broyeuses à des bords tranchants acérés bordés de structures semblables à des dents.
Cette variation est précisément ce qui rendait ce groupe digne d'être étudié. Sans os mandibulaire unique pour contraindre leur anatomie, les placodermes étaient libres d'explorer un large éventail de conceptions mécaniques au fil de millions d'années d'évolution.
Reconstituer une morsure ancienne grâce à des simulations informatiques
Pour déterminer comment ces conceptions fonctionnaient en pratique, les chercheurs ont combiné une technique d'analyse par éléments finis avec des simulations informatiques et une analyse tridimensionnelle des surfaces mordantes. L'analyse par éléments finis, empruntée à l'ingénierie, divise une structure en de nombreux petits éléments et modélise la manière dont les forces s'y propagent — une approche bien adaptée pour tester si une mâchoire pouvait survivre aux contraintes liées à l'ouverture de proies à coque dure.
À l'aide de ces outils, l'équipe a reconstitué le comportement alimentaire de huit espèces de placodermes, dressant un tableau de la manière dont chacune aurait traité la nourriture dans les écosystèmes marins de l'Australie préhistorique.
Les résultats ne correspondaient pas au schéma attendu par les chercheurs. La Dre Alice Clement, ARC Future Fellow impliquée dans les travaux, a noté que les animaux se nourrissant d'aliments durs développent généralement des mâchoires plus fortes et des surfaces broyeuses plus larges et plus plates. Cette attente, a-t-elle dit, n'est pas ce que cette analyse a révélé — les espèces plus grandes avaient plutôt investi dans un appareil perçant plutôt que dans des plaques plates renforcées.
Un schéma inattendu chez les consommateurs d'aliments durs
Cette discordance compte parce qu'elle complique une règle bien nette sur la manière dont le régime alimentaire façonne l'anatomie. Si les spécialistes des aliments durs convergent habituellement vers la même conception robuste de mâchoire à sommet plat, alors la communauté de placodermes du récif représente une véritable alternative. Plutôt qu'une solution optimale unique pour briser les armures, l'évolution a ici produit un système à deux voies, divisé en partie selon la taille corporelle.
Une lecture plausible, fondée sur les mécanismes de morsure reconstitués, est que les deux stratégies convenaient à des tailles de proies différentes plutôt qu'à des duretés de proies différentes. Les poissons plus petits pouvaient venir à bout de victimes entières avec une plaque broyeuse. Les poissons plus grands devaient neutraliser et démonter des animaux cuirassés dépassant ce qu'ils pouvaient engloutir, et des structures acérées semblables à des dents servaient mieux cet objectif qu'une large presse.
Une fenêtre rare sur la spécialisation précoce des mâchoires
Clement décrit les placodermes comme ayant expérimenté une gamme extraordinaire de formes de mâchoires et de pièces mordantes durant l'évolution précoce des vertébrés, ce qui en fait un cas d'étude exceptionnellement précieux. Parce qu'ils se situent si près de l'origine des mâchoires elles-mêmes, ils conservent des preuves de la manière dont certaines des toutes premières pièces buccales de vertébrés se sont spécialisées pour des régimes alimentaires particuliers — une transition autrement difficile à observer directement.
Le cadre de l'ancien récif ajoute à cette valeur. Les fossiles proviennent d'un riche écosystème marin qui abritait simultanément plusieurs espèces de placodermes, ce qui signifie que les différentes stratégies alimentaires n'étaient pas séparées par de vastes périodes de temps. Elles coexistaient.
Ce que l'étude ouvre comme perspectives
La recherche, publiée dans Scientific Reports, démontre l'intérêt d'associer l'anatomie fossile à la modélisation computationnelle. Les descriptions traditionnelles des os de la mâchoire peuvent révéler la forme, mais pas la performance mécanique ; les simulations de contraintes et de déformations permettent aux chercheurs de tester si une structure donnée pouvait réellement broyer, trancher ou percer des types spécifiques de proies.
L'application de cette combinaison à huit espèces a produit des preuves d'un partitionnement alimentaire sur un seul ancien récif. Elle soulève aussi des questions de suivi sur l'ampleur du phénomène, sur la question de savoir si les placodermes d'autres régions de la planète ont divisé leurs stratégies alimentaires de manière similaire, et sur la part de la variation qui remonte à la taille corporelle plutôt qu'à la dureté de la nourriture disponible.
Ce qui est clair, c'est que les premiers vertébrés à mâchoires n'étaient pas enfermés dans une seule voie évolutive. Au sein d'une même lignée, sur un même récif, il y a environ 385 millions d'années, la machinerie de la morsure s'est divisée en au moins deux conceptions fonctionnelles — l'une conçue pour pulvériser, l'autre pour transpercer.
Principales conclusions en un coup d'œil
- Les placodermes ont été les premiers vertébrés à développer des mâchoires et des dents, il y a plus de 400 millions d'années.
- Des chercheurs de l'Université Flinders ont analysé huit espèces qui vivaient il y a environ 385 millions d'années sur un ancien récif situé dans ce qui est aujourd'hui le nord de l'Australie-Occidentale.
- Les espèces plus petites utilisaient de larges plaques broyeuses plates pour pulvériser des proies entières.
- Les espèces plus grandes ont développé des dents semblables à des armes pour percer et briser des proies cuirassées trop grandes pour être avalées.
- Les mâchoires des placodermes étaient constituées de plaques osseuses appariées soutenues par du cartilage, et non d'un os mandibulaire unique.
- L'analyse par éléments finis, les simulations informatiques et l'analyse de surface en 3D ont été combinées pour reconstituer les mécanismes alimentaires.
Cet article est basé sur un reportage de Phys.org. Lire l'article original.
Originally published on phys.org
