Une nouvelle étude de l’Imperial College de Londres a répondu à une question de longue date : pourquoi les animaux terrestres de taille moyenne comme les guépards ont tendance à être les plus rapides.
Il y a une divergence dans le règne animal. Alors que de nombreuses caractéristiques clés telles que la force, la longueur des membres, la durée de vie et la taille du cerveau ont tendance à augmenter avec la taille des animaux, les vitesses de course maximales ont tendance à être plus élevées chez les animaux de taille moyenne.
Pour comprendre pourquoi, une équipe internationale de chercheurs comprenant l’Imperial, l’Université Harvard, l’Université du Queensland et l’Université de Sunshine Coast, a développé un modèle physique de la façon dont les muscles, le moteur animal universel, fixent des limites aux vitesses de course maximales des animaux terrestres.
L’auteur principal, le Dr David Labonte, du département de bioingénierie de l’Imperial College de Londres, a déclaré : « Les animaux les plus rapides ne sont ni de grands éléphants ni de minuscules fourmis, mais sont de taille intermédiaire, comme les guépards. Pourquoi la vitesse de course rompt-elle avec les schémas réguliers qui régissent la plupart des autres aspects de l’anatomie et de la performance animales ? »
Leurs résultats suggèrent qu’il n’y a pas une limite à la vitesse de course maximale, comme on le pensait auparavant, mais deux : la vitesse et l’ampleur de la contraction des muscles. La vitesse maximale qu’un animal peut atteindre est déterminée par la limite atteinte en premier, et cette limite est dictée par la taille de l’animal.
Le professeur Christofer Clemente, co-auteur de l’Université de Sunshine Coast et de l’Université du Queensland, a déclaré : « La clé de notre modèle est de comprendre que la vitesse de course maximale est limitée à la fois par la vitesse à laquelle les muscles se contractent, ainsi que par leur capacité. raccourcir lors d’une contraction.
« Les animaux de la taille d’un guépard existent dans un environnement physique idéal, à environ 50 kg, où ces deux limites coïncident. Ces animaux sont par conséquent les plus rapides, atteignant des vitesses allant jusqu’à 65 miles par heure. »
Le résultats sont publiés dans Communications naturelles.
Tester les limites
La première limite, appelée « limite de capacité d’énergie cinétique », suggère que les muscles des petits animaux sont restreints par la rapidité avec laquelle ils peuvent se contracter. Étant donné que les petits animaux génèrent des forces importantes par rapport à leur poids, courir pour un petit animal revient un peu à essayer d’accélérer à basse vitesse lors d’une descente à vélo.
La deuxième limite, appelée « limite de capacité de travail », suggère que les muscles des animaux plus gros sont restreints par la mesure dans laquelle leurs muscles peuvent se contracter. Parce que les gros animaux sont plus lourds, leurs muscles produisent moins de force par rapport à leur poids, et courir s’apparente davantage à essayer d’accélérer en gravissant une colline à vitesse élevée.
Le co-auteur, le Dr Peter Bishop de l’Université Harvard, a déclaré : « 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 coût plus élevé. ils doivent finalement ralentir à mesure qu’ils grandissent. »
Pour tester l’exactitude de leur modèle, l’équipe a comparé ses prédictions aux données sur la vitesse et la taille des animaux terrestres collectées auprès de plus de 400 espèces, depuis les grands mammifères, les oiseaux et les lézards jusqu’aux minuscules araignées et insectes.
Le modèle a prédit avec précision comment les vitesses de course maximales varient en fonction de la taille du corps pour les animaux dont la masse corporelle diffère de plus de 10 ordres de grandeur, depuis de minuscules acariens de 0,1 milligramme jusqu’à des éléphants de six tonnes.
Besoin de vitesse
Les résultats mettent en lumière les principes physiques derrière l’évolution des muscles et pourraient éclairer la conception future de robots correspondant à l’athlétisme des meilleurs coureurs d’animaux.
Ils peuvent également fournir des indices essentiels pour comprendre les différences entre les groupes d’animaux. Les grands reptiles, comme les lézards et les crocodiles, sont généralement plus petits et plus lents que les grands mammifères.
Le co-auteur, le Dr Taylor Dick, de l’Université du Queensland, a déclaré : « Une explication possible à cela pourrait être que les muscles des membres représentent un pourcentage plus faible du corps des reptiles, en termes de poids, ce qui signifie qu’ils atteignent la limite de travail avec un corps plus petit. poids, et doivent donc rester petits pour se déplacer rapidement.
Le modèle, combiné aux données sur les espèces modernes, prédit également que les animaux terrestres pesant plus de 40 tonnes seraient incapables de bouger. Le mammifère terrestre le plus lourd vivant aujourd’hui est l’éléphant d’Afrique, pesant environ 6,6 tonnes. Pourtant, certains dinosaures terrestres, comme le Patagotitan, pesaient probablement bien plus de 40 tonnes.
Les chercheurs affirment que cela indique que nous devons être prudents lors de l’estimation de l’anatomie musculaire d’animaux éteints à partir de données sur des animaux non éteints. Au lieu de cela, les données suggèrent que les géants éteints pourraient avoir développé des anatomies musculaires uniques, ce qui justifie des études plus approfondies.
L’étude soulève des questions sur la façon dont les dinosaures massifs ont réussi à se déplacer, ainsi que des questions qui nécessitent une collecte de données plus ciblée sur des groupes d’animaux spécifiques, comme les reptiles ou les araignées.
Alors que l’étude n’a porté que sur les animaux terrestres, les chercheurs appliqueront ensuite leurs méthodes aux animaux qui volent et nagent.
Le Dr Labonte a déclaré : « Notre étude soulève de nombreuses questions intéressantes sur la physiologie musculaire des animaux disparus et de ceux qui sont vivants aujourd’hui, y compris les athlètes humains. prochain à notre ordre du jour. »
Plus d’information:
David Labonte et al, Similitude dynamique et allométrie particulière de la vitesse de course maximale, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-46269-w