Dans une piscine universitaire, des scientifiques et leurs caméras sous-marines observent attentivement la libération d’une coquille enroulée d’une paire de pinces métalliques. La coquille commence à se déplacer par ses propres moyens, donnant aux chercheurs un aperçu de ce à quoi les océans auraient pu ressembler il y a des millions d’années, lorsqu’ils étaient pleins de ces animaux omniprésents.
Ce n’est pas Jurassic Park, mais c’est un effort pour en apprendre davantage sur la vie ancienne en la recréant. Dans ce cas, les recréations sont des robots imprimés en 3D conçus pour reproduire la forme et le mouvement des ammonites, des animaux marins qui ont à la fois précédé et contemporain des dinosaures.
Les ammonites robotiques ont permis aux chercheurs d’explorer des questions sur la façon dont la forme des coquilles affectait la capacité de nage. Ils ont trouvé des compromis entre la stabilité dans l’eau et la maniabilité, suggérant que l’évolution des obus d’ammonite a exploré différentes conceptions pour différents avantages plutôt que de converger vers une seule meilleure conception.
« Ces résultats confirment qu’il n’existe pas de forme de coquille optimale unique », déclare David Peterman, chercheur postdoctoral au département de géologie et de géophysique de l’Université de l’Utah.
L’étude est publiée dans Rapports scientifiques.
Une « course » expérimentale d’une ammonite robotique. Il s’agit de la forme ronde Sphaerocone, avec des points de suivi pour surveiller le mouvement en trois dimensions. Crédit : David Peterman/Université de l’Utah
Donner vie aux ammonites
Pendant des années, Peterman et Kathleen Ritterbush, professeur adjoint de géologie et de géophysique, ont exploré l’hydrodynamique, ou la physique du déplacement dans l’eau, d’anciens céphalopodes à coquille, y compris les ammonites. Les céphalopodes comprennent aujourd’hui les poulpes et les calmars, avec un seul groupe arborant une coquille externe – les nautiles.
Avant l’ère actuelle, les céphalopodes à coquilles étaient partout. Bien que leurs coquilles rigides enroulées aient eu un impact sur leur liberté de mouvement dans l’eau, elles ont connu un succès phénoménal en termes d’évolution, persistant pendant des centaines de millions d’années et survivant à chaque extinction massive.
« Ces propriétés en font d’excellents outils pour étudier la biomécanique évolutive », explique Peterman, « l’histoire de la façon dont les mollusques benthiques (de fond) sont devenus l’un des groupes d’invertébrés marins les plus complexes et les plus mobiles. Mon objectif de recherche plus large est de fournir une meilleure compréhension de ces animaux énigmatiques, leurs rôles dans l’écosystème et les processus évolutifs qui les ont façonnés. »
Peterman et Ritterbush ont précédemment construit des modèles pondérés en 3D grandeur nature de coquilles de céphalopodes en forme de cône et ont découvert, en les relâchant dans des piscines, que les animaux anciens vivaient probablement une vie verticale, se balançant de haut en bas dans la colonne d’eau pour trouver de la nourriture. Les mouvements de ces modèles étaient régis uniquement par la flottabilité et l’hydrodynamique de la coque.
Mais Peterman a toujours voulu construire des modèles plus proches des animaux vivants.
« J’ai voulu construire des robots depuis que j’ai développé les premières techniques pour reproduire les propriétés hydrostatiques dans des modèles physiques, et Kathleen m’a également fortement encouragée », déclare Peterman. « La propulsion embarquée nous permet d’explorer de nouvelles questions concernant les contraintes physiques sur les habitudes de vie de ces animaux. »
La flottabilité est devenue le principal défi de Peterman. Il avait besoin que les modèles aient une flottabilité neutre, ni flottant ni coulant. Il avait également besoin que les modèles soient étanches, à la fois pour protéger l’électronique à l’intérieur et pour empêcher les fuites d’eau de modifier le délicat équilibre de flottabilité.
Mais le travail supplémentaire en vaut la peine. « De nouvelles questions peuvent être étudiées à l’aide de ces techniques », explique Peterman, « y compris la dynamique de jet complexe, l’efficacité de la roue libre et la maniabilité 3D de formes de coque particulières. »
Trois sortes de coquillages
Les chercheurs ont testé des ammonites robotiques avec trois formes de coquille. Ils sont partiellement basés sur la coquille d’un Nautilus moderne et modifiés pour représenter la gamme de formes de coquilles d’ammonites anciennes. Le modèle appelé serpenticone avait des verticilles serrées et une coquille étroite, tandis que le modèle sphaerocone avait peu de verticilles épaisses et une large coquille presque sphérique. Le troisième modèle, l’oxycone, se situait quelque part au milieu : des volutes épaisses et une coquille étroite et profilée. Vous pouvez les imaginer occupant un diagramme triangulaire, représentant des « éléments finaux » de différentes caractéristiques de coque.
« Chaque céphalopode planispiral ayant jamais existé trace quelque part sur ce diagramme », dit Peterman, permettant d’estimer les propriétés des formes intermédiaires.
Une fois les modèles imprimés en 3D construits, gréés et lestés, il était temps d’aller à la piscine. Travaillant d’abord dans le bassin de la professeure de géologie et de géophysique Brenda Bowen et plus tard dans le Crimson Lagoon de l’U, Peterman et Ritterbush ont installé des caméras et des lumières sous l’eau et ont libéré les ammonites robotiques, suivant leur position dans l’espace 3D tout au long d’une douzaine de « courses » pour chacun type coquille.
Pas de forme de coque parfaite
En analysant les données des expériences en piscine, les chercheurs recherchaient les avantages et les inconvénients associés à chaque caractéristique de la coquille.
« Nous nous attendions à ce qu’il y ait divers avantages et conséquences pour toute forme particulière », explique Peterman. « L’évolution leur a offert un mode de locomotion tout à fait unique après les avoir libérés du fond marin avec une conque remplie de gaz. Ces animaux sont essentiellement des sous-marins à corps rigide propulsés par des jets d’eau. » Cette coquille n’est pas idéale pour la vitesse ou la maniabilité, dit-il, mais les céphalopodes à coquille enroulée ont quand même réussi à gérer une diversité remarquable à chaque extinction de masse.
« Tout au long de leur évolution, les céphalopodes à coquille externe ont surmonté leurs limites physiques en expérimentant sans cesse des variations sur la forme de leurs coquilles enroulées », explique Peterman.
Alors, quelle forme de coque était la meilleure ?
« L’idée qu’une forme est meilleure qu’une autre n’a pas de sens sans se poser la question – » mieux en quoi? « », Dit Peterman. Les obus plus étroits bénéficiaient de moins de traînée et de plus de stabilité lorsqu’ils se déplaçaient dans une direction, améliorant ainsi leur efficacité de jet. Mais des coques plus larges et plus sphériques pourraient plus facilement changer de direction, tournant sur un axe. Cette maniabilité peut les avoir aidés à attraper des proies ou à éviter les prédateurs lents (comme d’autres céphalopodes à carapace).
Peterman note que certaines interprétations considèrent de nombreuses coquilles d’ammonites comme hydrodynamiquement « inférieures » aux autres, limitant trop leur mouvement.
« Nos expériences, ainsi que le travail de collègues de notre laboratoire, démontrent que les conceptions de coques traditionnellement interprétées comme « inférieures » sur le plan hydrodynamique peuvent avoir certains inconvénients, mais ne sont pas des dériveurs immobiles », a déclaré Peterman. « Pour les céphalopodes à coquille externe, la vitesse n’est certainement pas la seule mesure de performance. » Presque chaque variation dans la conception de la coquille apparaît de manière itérative à un moment donné dans les archives fossiles, dit-il, montrant que différentes formes conféraient différents avantages.
« La sélection naturelle est un processus dynamique, évoluant dans le temps et impliquant de nombreux compromis fonctionnels et autres contraintes », dit-il, « les céphalopodes à coquille externe sont des cibles parfaites pour étudier ces dynamiques complexes en raison de leur énorme plage temporelle, de leur importance écologique, de leur abondance et des taux d’évolution élevés. »
David J. Peterman et al, Ressusciter des céphalopodes éteints avec des robots biomimétiques pour explorer la stabilité hydrodynamique, la maniabilité et les contraintes physiques sur les habitudes de vie, Rapports scientifiques (2022). DOI : 10.1038/s41598-022-13006-6