Des chercheurs ont développé un « robot poisson » dont les mouvements de locomotion permettraient de comprendre comment les premiers vertébrés ont évolué il y a des centaines de millions d’années pour se déplacer hors de l’eau. Les expériences sur le robot ont notamment montré que le mouvement optimal pour se déplacer sur la terre ferme correspond étroitement à celui des poissons amphibies modernes. Ces résultats contribuent à améliorer notre compréhension de l’une des transitions les plus importantes dans l’évolution des vertébrés.
De nombreux poissons modernes possèdent des capacités amphibies, c’est-à-dire qu’ils peuvent se hisser temporairement hors de l’eau et se déplacer sur la terre ferme par exemple pour rejoindre d’autres plans d’eau ou pour échapper à des prédateurs. Ils se déplacent sur terre en « marchant » ou en glissant à l’aide de leurs nageoires ou d’appendices spécialisés, mais possèdent également une anatomie diversifiée optimisant le déplacement hors de l’eau.
Parmi les espèces de poissons amphibies figurent par exemple les bichirs et les dipneustes (qui disposent même de poumons pour respirer hors de l’eau) qui sont plutôt de forme allongée et les silures et les chabots qui possèdent un ventre ou une tête aplatis en dessous. Même s’ils se déplacent généralement plus efficacement dans l’eau, disposer d’un mode de locomotion supplémentaire constitue un avantage évolutif important.
« Si vous êtes capable de marcher sur la terre ferme et que votre prédateur ne l’est pas, vous pouvez vous échapper et, avec un peu de chance, le prédateur s’en ira », explique Michael Ishida, membre du département d’ingénierie de l’Université de Cambridge. « Vous avez également la capacité de passer d’un milieu d’eau peu profonde à un autre, comme les bassins de marée par exemple. » Certains poissons amphibies peuvent même remonter des chutes d’eau à contre-courant pour gagner les plans d’eau en amont.
Comprendre la manière dont ces poissons se déplacent hors de l’eau ne se limite cependant pas à la seule analyse morphologique. En effet, de nombreux poissons présentant de grandes différences morphologiques montrent des schémas de locomotion aquatique et terrestre similaires. Cela suggère que la locomotion chez ces poissons implique une interaction dynamique entre la structure corporelle et leur environnement.
Cependant, les travaux concernant la locomotion terrestre des poissons amphibies les classent généralement selon des catégories distinctes telles que l’utilisation de la flexion axiale, d’appendices ou une combinaison des deux. Dans une étude parue hier (2 juin) dans la revue Nature Communications, Ishida et ses collègues proposent de décrypter le mode de déplacement commun des poissons amphibies hors de l’eau à l’aide d’un robot-poisson spécialement conçu.
Reconstituer les premiers pas hors de l’eau
L’équipe d’Ishida a travaillé avec des biologistes et des paléontologues pour étudier comment les poissons amphibies modernes se déplacent et si les résultats pourraient être utilisés pour comprendre comment les ancêtres des vertébrés terrestres sont passés de la vie aquatique à la vie terrestre.
Une démarche tripode ondulante, résultant d’une évolution convergente, est observée chez des taxons de poissons très éloignés l’un de l’autre. © Michael Ishida et al.
Pour ce faire, les chercheurs ont d’abord développé un modèle informatique basé sur les mouvements du Polypterus senegalus, un bichir gris originaire d’Afrique, et de plusieurs autres poissons marcheurs.
Les simulations ont montré des modes de locomotion similaires chez plusieurs espèces différentes. Ils effectuent essentiellement des mouvements de nage en ancrant leurs corps avec les nageoires antérieures ou la tête et en utilisant leurs queues pour se hisser vers l’avant, un mode de locomotion que les chercheurs ont appelé « démarche tripode ondulante ».
« Nous observions sans cesse ce type de locomotion récurrente, bien que très primitive », a déclaré Ishida. « De nombreuses espèces de poissons, réparties sur l’arbre phylogénétique et sans lien de parenté étroit, l’utilisent. C’est un mouvement si simple qu’il peut se reproduire à partir d’une base très simple. » Cela suggère une évolution convergente au cours de laquelle différentes espèces ont développé indépendamment des capacités similaires.
L’équipe a ensuite étayé ses résultats en analysant les mouvements de leur robot-poisson en testant différents types de locomotion et différents angles. Les chercheurs ont constaté que le mouvement le plus efficace pour se déplacer sur la terre ferme correspondait à celui du P. senegalus et à ceux identifiés par le modèle informatique.
« Nous avons testé différentes allures sur le robot, et chaque allure était plus lente », explique Ishida. « Dès que nous modifions la façon dont le corps se fléchissait, ou l’ordre dans lequel il se fléchissait, c’était pire. Le plus surprenant, c’est que le schéma de marche optimal dans la simulation et sur le robot correspondait exactement à celui du vrai poisson », indique-t-il.
La prochaine étape de la recherche consisterait à appliquer la modélisation et l’approche robotique sur des poissons fossiles amphibies tels que le Tiktaalik, qui constitue un maillon essentiel de la transition des vertébrés du milieu aquatique vers le milieu terrestre et qui vivait dans des environnements aquatiques peu profonds tout en possédant des adaptations associées à la transition vers la terre ferme, à la fin du Dévonien, il y a environ 375 millions d’années.
Vidéo montrant le mode de locomotion du robot poisson :
