Les oiseaux et la course : pourquoi les autruches courent si vite ? Understand article

Traduit par Chloé Cormier. Qu’est-ce qui fait que les autruches courent si vite ? Nina Schaller a conduit des recherches sur le sujet pendant 10 ans.

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Lorsque nous admirons une mouette prenant son envol ou un pingouin qui plonge, nous pensons rarement que ces animaux à plumes partagent avec nous autres mammifères la même caractéristique très rare : alors que la majorité des animaux se meuvent sur 4, 6 pattes (ou même plus), les oiseaux et les humains sont les seuls vrais bipèdes.

L’évolution a relevé le défi de se mouvoir sur deux pattes de deux manières distinctes : les humains sont des plantigrades (nous posons tout notre pied au sol quand nous marchons ou courons), tandis que les oiseaux sont des digitigrades (ils se déplacent sur leurs orteils ou « doigts »)

Certaines espèces aviaires peuvent (non seulement) courir plus vite que les humains (mais sont également plus rapides que leurs congénères en vol). L’espèce qui court (le plus vite sur les longues distances) est l’autruche africaine (Struthio camelus). Avec un 60 km/heure régulier et une vitesse de pointe de 70 km/heure, cet oiseau peut courir un marathon olympique en 40 minutes alors qu’il faut 2 heures à un humain pour parcourir cette même distance. Cette combinaison étonnante de vitesse et d’endurance permet à l’autruche de couvrir de grandes distances dans le but de trouver des pâturages ou de distancer les hyènes affamées.

Nina et une de ses autruches,
Tiffy

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Wissenschaft

Les scientifiques ont longtemps exploré les défis de la locomotion terrestre, plus particulièrement les capacités de course chez les canidés et les équidés. Toutefois, les études menées sur les modes de locomotion des espèces aviaires ont surtout exploré les dynamiques de vol tout en se concentrant moins sur les espèces coureuses.

De jeunes autruches femelles
de 10 semaines dans leur
nouveau foyer

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l’aimable autorisation de
Jürgen Gass

Après avoir terminé mes études en biologie en 2002, j’ai travaillé comme bénévole au zoo de Francfort en Allemagne. J’ai été fascinée par les facultés de l’autruche à courir aussi vite. J’ai donc décidé de mener une étude sur le sujet. L’hypothèse de ma thèse porte sur la transmission de puissance au sol extrêmement efficace du système locomoteur de l’autruche, maximisant la production d’énergie (vitesse et endurance) et minimisant les demandes en énergie (travail musculaire et métabolique).

Pour mettre mon idée à l’épreuve, j’ai décidé d’étudier à la fois la forme et la fonction du système locomoteur de l’autruche. Au moyen de la dissection, j’ai exploré l’anatomie de l’autruche et j’ai cherché les structures des membres inférieurs à l’origine de la réduction du coût métabolique de la locomotion. J’ai étudié simultanément la biomécanique des autruches et comment les forces physiques agissent sur leur anatomie quand elles se déplacent.

Afin de mener une observation plus approfondie, j’ai élevé moi-même trois autruches pendant plus de 4 ans dans un grand enclos en plein air. Elles se sont habituées à ma présence et à leur piste de course conçue pour les besoins de mon étude. Une confiance mutuelle a été cruciale. En effet, un coup donné par une autruche peut tuer un lion.

Des pattes longues et légères pour maximiser la vitesse

Chez un animal coureur, les vitesses les plus élevées sont possibles sont atteintes en augmentant à la fois la longueur et la fréquence des pas. Des pattes plus longues permettent une plus longue étendue des bonds, et si la masse musculaire de la patte est localisée de façon proximale (proche du corps), la patte peut rebondir plus vite, tel un métronome dont on ajuste le poids en le rapprochant du pivot dans le but d’accélérer le tempo.

Figure 1 : longueurs des pattes. Le n indique le nombre de spécimens étudiés.
Partie de la patte effectuant un mouvement de balancier :
Fémur (tenu horizontalement) : bleu foncé
Tibia : bleu pâle
Tarsométatarse : orange pâle
Orteil principal : orange foncé
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Nandou d’Amérique, Rhea americana
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Nandou de Darwin, Pterocnemia pennata
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Émeu d’Australie, Dromaius novaehollandiae
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Casoar, Casuarius casuarius
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Kiwi de Mantell, Apteryx mantelli
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Grand géocoucou, Geococcyx californianus
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Pieds de casoar
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Désirant étudier ce principe, j’ai comparé la longueur des segments des pattes (Figure 1) et la répartition de la masse musculaire des espèces aviaires coureuses vivant au sol. De tous les ratites (espèces coureuses), l’autruche possède les plus longues pattes et la plus grande longueur de pas en course : 5 mètres. De plus, la plus grande partie de sa musculature est située très haut sur l’os de la cuisse et la taille, alors que les parties inférieures effectuant le mouvement de balancier de sa patte sont très légères, mus par des tendons longs et réduisant la masse (Figure 2). Cette répartition optimise ainsi la locomotion à vitesse élevée grâce à une longueur de pas étendue et une fréquence élevée des pas.

Figure 2 : anatomie comparative entre des pattes d’autruche et des jambes d’un homme : chez les oiseaux, l’os entre la cheville et les orteils, le tarsométatarse, est plus long chez les humains, et sert d’équivalent fonctionnel à notre tibia. L’articulation de la cheville chez l’oiseau se retrouve au niveau de notre genou, ce qui explique pourquoi on a l’impression de voir un oiseau plier son genou vers l’arrière. L’articulation réelle de son « genou », cachée sous son plumage, est toujours fléchie et est connectée à l’articulation de la hanche par un petit fémur horizontal. Les lignes rouges font correspondre les articulations ayant une position anatomique similaire; les lignes vertes font correspondre les articulations ayant une fonction similaire.
Chez l’autruche, la masse musculaire est concentrée sur la partie supérieure de la patte alors que les longs tendons se concentrent dans les zones inférieures. Les zones grisées montrent la répartition musculaire, les lignes bleues indiquent la localisation des principaux tendons. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

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Figure 3: Expérience qui
montre la capacité des
ligaments de l’articulation de
la cheville à supporter le
poids (on ne peut voir que le
côté gauche de la patte
gauche). L’articulation de la
cheville est entouré d’une
protubérance osseuse (en
vert) sur chaque côté.

Lorsque l’articulation est
entièrement étendue (168°),
les ligaments sur chaque
côté (en rouge) sont tendus
parce qu’ils couvrent cette
protubérance, stabilisant
ainsi l’articulation.

Lorsque l’autruche lève son
orteil, l’articulation de la
cheville est fléchie à moins
de 140° et les ligaments (en
orange) peuvent glisser
autour des protubérances : le
mécanisme stabilisant est
relâché. Cliquer sur l’image
pour l’agrandir

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l’aimable autorisation de Nina
Schaller

Optimisation de l’endurance : des articulations stables

Toute une série de mouvements d’articulation permet aux humains de grimper aux arbres ou de pratiquer la danse classique. Toutefois, cette souplesse a un prix. Quand nous courons, la puissance musculaire est employée pour la propulsion mais également pour éviter le mouvement latéral des articulations, ce qui augmente nos besoins en énergie sur une distance donnée. Je pensais que les autruches avaient une approche plus efficace.

Contrairement aux muscles gourmands en énergie et leurs tendons, les ligaments peuvent agir comme un “corset” sur l’articulation, réduisant le mouvement latéral sans dépenser d’énergie. Pour démontrer l’existence de ce mécanisme, j’ai filmé mes autruches en pleine course sous divers angles afin d’enregistrer tous les mouvements dont sont capables les autruches. J’ai refait des mesures sur un cadavre d’autruche intact, puis sur un cadavre disséqué dont les muscles et les tendons avaient été enlevés : il ne restait que le squelette et les ligaments des articulations. L’étendue des mouvements des autruches, que ce soit sur une autruche morte ou une autruche vivante, était quasiment identique. À l’inverse, chez l’humain on ne constate pas le même phénomène, encore plus au niveau de l’articulation de la hanche, stabilisée par l’action du muscle. Les mesures que j’ai effectuées ont montré que les ligaments sont les éléments principaux qui guident le pas de l’autruche, permettant de consacrer toute la puissance musculaire à la propulsion.

Lors de la manipulation des pattes disséquées d’autruche, j’ai fait une nouvelle découverte plus approfondie. Au moment où j’ai essayé d’effectuer une flexion sur l’articulation de la cheville, j’ai rencontré une certaine résistance, phénomène étonnant sur un membre mort et dépourvu de muscles. Lorsque j’ai retiré l’articulation, elle revenait brusquement en position étendue, suggérant ainsi l’idée que les ligaments tenaient la jambe étendue de manière passive. Pour mettre à l’épreuve cette théorie, j’ai exercé une pression exercé une pression sur le dessus de la patte disséquée en position debout, jusqu’à ce que l’articulation de la cheville se retrouve en position fléchie (Figure 3). Pour cela il a fallu employer une pression de 14 kg vers le bas, soit un poids de 28 kg qu’une autruche debout sur ses deux pattes n’aurait pas eu besoin de supporter de façon active, en marchant ou en courant. Cette expérience a montré que les ligaments servent de stabilisateurs passifs dans l’économie d’énergie métabolique et rentrent en jeu dans une stratégie parfaite de locomotion d’endurance.

Le contact avec la terre

Figure 4 : le “pied” droit
d’une autruche. De gauche à
droite : une position debout
moyenne avec un orteil
“stabilisateur” latéral plus
petit. : le squelette de l’orteil,
vue du dessus ; le « pied » vu
d’en dessous. Distal = loin du
corps ; proximal : plus proche
du corps. Cliquer sur l’image
pour l’agrandir

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de Nina
Schaller

Nous avons vu que des membres légers représentent une condition requise pour une locomotion rapide et efficace et les autruches arrivent à cette performance en concentrant leur masse musculaire autour de l’articulation de la hanche. Une autre stratégie pour réduire la masse de la patte inférieure fait participer la morphologie des orteils et leur position. Ce phénomène est également observé chez les autres coureurs. Les chevaux modernes, par exemple, ont évolué de leurs ancêtres à 5 orteils pour galoper sur l’ongle de l’orteil (le sabot). L’autruche a connu une évolution identique : alors que la grande majorité des oiseaux ont 4 orteils et la majorité des grands oiseaux qui ne volent pas n’ont que 3 orteils, l’autruche figure comme un cas unique parmi les oiseaux car elle ne marche que sur un 1 ou 2 orteils (Figure 1). En outre, l’autruche est le seul oiseau à marcher sur la pointe des orteils.

Je me suis demandée comment le plus grand oiseau (et le plus lourd) arrive à se tenir en équilibre lors de ses mouvements lors d’une course à très grande vitesse. Comme il n’existe encore aucune méthode pour étudier la fonction des orteils sur des animaux vivants, j’ai utilisé une plaque de pression, couramment utilisée par les orthopédistes pour analyser la répartition de la pression dans le pied d’un humain. J’ai entraîné mes autruches à marcher et à courir par-dessus cette plaque afin de capturer des données haute résolution en temps réel sur la pression du « pied » de l’autruche sur le sol. Cela a montré que le gros orteil supporte une grande partie de la masse corporelle alors que le petit orteil empêche l’autruche de perdre l’équilibre en agissant comme un stabilisateur, plus particulièrement lors d’une marche lente.

Figure 5: La répartition de la
charge du pied droit d’une
autruche enregistrée par une
plaque de pression. Les
zones en rouge indiquent
une charge très élevée. Les
zones bleu foncé indiquent
une charge moindre. Cliquer
sur l’image pour l’agrandir

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de Nina
Schaller

À grande vitesse, les coussinets des orteils amortissent les vibrations, alors que la posture sur pointe des orteils à ressort permet d’absorber les chocs (les arcs rouges dans la Figure 4). La griffe touche à peine le sol pendant que l’autruche marche, mais elle exerce une pression allant jusqu’à 40kg/cm² pendant la course. La griffe pénètre le sol tel un marteau-piqueur qui assure une prise fiable à 70 km/h (vitesse maximum à énergie minimum, idéal pour la course d’endurance au niveau sur les terrains plats de la savane africaine) (Figure 5).

Applications pratiques

Ma recherche a permis de grandement améliorer notre compréhension des mécanismes qui permettent à l’autruche de courir aussi vite sur une longue durée. Maintenant que nous comprenons les stratégies biomécaniques perfectionnées pendant 60 millions d’années d’évolution, nous pouvons les adapter aux technologies modernes telles que la robotique bipède, les systèmes de suspension et l’ingénierie. Certains de mes résultats ont d’ores et déjà inspiré des développeurs de prothèses humaines intelligentes dans l’adaptation de ces prothèses en reprenant les caractéristiques des orteils et des pattes d’autruche pour ainsi permettre aux personnes amputées une plus grande amplitude de fonction et de maniabilité.

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Resources

Author(s)

Après avoir terminé ses études en biologie à l’université d’Heidelberg en Allemagne, Nina Schaller a travaillé comme bénévole au zoo de Francfort, où elle a tissé un lien fort avec une autruche. Ce lien a été l’élément déclencheur d’un intérêt grandissant pour ce vertébré terrestre. Pendant ces 9 dernières années, elle a étudié les capacités inégalées de course chez les autruches. Elle a elle-même élevé des autruches et collaboré avec des universités et des instituts de recherche comme Anvers (Belgique), Vienne (Autriche), Francfort et Munich (Allemagne), Toronto (Canada). L’approche interdisciplinaire de Nina a permis la découverte des stratégies de conservation d’énergie qui expliquent comment l’autruche peut courir aussi vite.


Review

L’assertion évidente et pourtant surprenante que « les oiseaux et les humains sont les seuls et véritables bipèdes » fait figure d’introduction à l’étude qu’a menée Nina Schaller pendant presque une décennie. Elle nous offre une image d’un phénomène complexe grâce à une approche multidisciplinaire (la vitesse exceptionnelle et l’endurance chez l’autruche) en étudiant la biomécanique et l’efficacité de la performance de cet oiseau par le prisme de l’anatomie (dissection) et la physiologie (étude fonctionnelle). Les sources énumérées fournissent une mine d’information et des supports pédagogiques sur la locomotion chez l’autruche et l’humain.

Cet article est un moyen intéressant et utile pour aborder des sujets en biologie (la biomécanique : os, muscles, tendons et ligaments : l’évolution –homologie et analogie) et la physique (efficacité, forces, vélocité, sauts et mouvement) pour toutes les sections du niveau collège. Par exemple, il peut servir à aborder la biomécanique liée à la marche et à la course chez les différentes espèces, l’évolution de la locomotion bipédale chez les oiseaux et les humains, et les aspects fonctionnels des prothèses des membres inférieures (par exemple celles utilisées par le sprinter Oscar Pistorius). Il constitue également une lecture précieuse avant une visite au muséum d’histoire naturelle ou au zoo, ou encore au laboratoire de la robotique.

Les questions de compréhension sont les suivantes :

  1. L’hypothèse de l’étude menée par Nina Schaller était que le système locomoteur de l’autruche :
    1. optimise la production énergétique et la demande en énergie
    2. minimise la production énergétique et maximise la demande en énergie
    3. maximise la production énergétique et minimise la demande en énergie
    4. minimise la production énergétique et la demande en énergie.
  2. Les pattes d’autruche ont
    1. une musculature située sur la partie supérieure du fémur et des tendons courts
    2. une musculature située sur la partie supérieure du fémur et des tendons longs
    3. une musculature située sur la partie inférieure du fémur et des tendons cours
    4. une musculature située sur la partie inférieure du fémur et des tendons longs.

Giulia Realdon, Italie




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