L'évolution de la vitesse chez les animaux terrestres

Pour élucider la raison de cette anomalie, une équipe internationale de chercheurs a mené une étude afin d'examiner comment les capacités musculaires limitent la vitesse maximale des animaux terrestres.

La vitesse de course a deux limites distinctes

«Les animaux les plus rapides ne sont ni les grands éléphants ni les minuscules fourmis, mais des animaux de taille moyenne comme les guépards», déclare l'auteur principal David Labonte, expert en bioingénierie. «Pourquoi la vitesse de course rompt-elle avec les schémas réguliers qui régissent la plupart des autres aspects de l'anatomie et des performances des animaux ?»

Les recherches montrent que la vitesse de course maximale n'est pas limitée par un seul facteur, mais par deux limites distinctes liées à la fonction musculaire : la vitesse de contraction musculaire et l'ampleur du raccourcissement musculaire lors d'une contraction. La vitesse maximale d'un animal est limitée par la première frontière, qui dépend de la taille de l'animal.

«Les animaux d'une taille comparable à celle d'un guépard se trouvent en un point idéal d'environ 50 kg, là où ces deux limites coïncident. Ces animaux sont par conséquent les plus rapides et atteignent des vitesses allant jusqu'à environ 105 km/h», explique le coauteur Christofer Clemente.

Taille des animaux et vitesse de course

L'étude introduit deux limites théoriques : la «limite de capacité d'énergie cinétique» pour les petits animaux, contrainte par la vitesse à laquelle leurs muscles peuvent se contracter, et la «limite de capacité de travail» pour les grands animaux, restreinte par l'ampleur à laquelle leurs muscles peuvent se contracter.

«Pour les grands animaux comme les rhinocéros ou les éléphants, courir peut donner l'impression de soulever un poids énorme, car leurs muscles sont relativement plus faibles et la gravité exige un effort plus important», explique le co-auteur Peter Bishop, chercheur postdoctoral en biologie organismique et évolutive à Harvard.

Principes physiques de l'évolution musculaire

Le modèle de l'équipe, testé à partir de données portant sur plus de 400 espèces de tailles différentes, a permis de prédire avec précision les différences de vitesse de course maximale dans le règne animal, mettant ainsi en évidence les principes physiques sous-jacents à l'évolution musculaire.

Ces découvertes pourraient éventuellement conduire au développement de robots imitant les performances athlétiques des meilleurs coureurs de la nature.

Masse musculaire des membres et poids corporel

En outre, le modèle éclaire les différences entre les groupes d'animaux. Par exemple, la masse musculaire des membres des reptiles, plus faible par rapport au poids corporel, pourrait expliquer pourquoi les grands reptiles tendent à être plus petits et plus lents que les grands mammifères.

«Une explication possible est que les muscles des membres représentent une proportion moindre du corps des reptiles par rapport au poids corporel, ce qui signifie qu'ils atteignent leur limite de travail à un poids corporel plus faible et doivent donc rester petits pour se déplacer rapidement», indique le co-auteur de l'étude, Taylor Dick, maître de conférences en biomédecine à Queensland.

Physiologie musculaire des animaux massifs

Les résultats suggèrent également que les plus grands mammifères terrestres vivant aujourd'hui, comme l'éléphant d'Afrique, se situent bien en deçà de la limite théorique de poids à partir de laquelle les animaux terrestres seraient immobiles.

Cela soulève des doutes quant à l'anatomie musculaire de géants disparus comme le Patagotitan, qui pesait probablement plus de 40 tonnes, et incite à poursuivre les recherches sur leurs adaptations physiologiques uniques.

«Notre étude soulève de nombreuses questions intéressantes sur la physiologie musculaire des animaux disparus comme des animaux vivant aujourd'hui, y compris les athlètes humains. Les contraintes physiques concernent les animaux nageurs et volants tout autant que les animaux coureurs — et déchiffrer ces limites est la prochaine étape de notre programme de recherche», conclut Labonte.

L'étude a été publiée dans larevue Nature Communications publié.

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