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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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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