Yi Qi et l'évolution du vol chez les théropodes

Le vol battu est un énorme avantage pour les animaux qui en sont capables. A tel point qu’il est apparu au moins de 4 fois au cours de l’histoire, dans 4 groupes d’animaux différents. D’abord les insectes, puis les ptérosaures, puis les oiseaux, et finalement les chauves-souris ont développé cette capacité.

Les insectes sont à part, puisque leurs ailes ne sont pas homologues à celles des membres des autres groupes (Fig 1). En d’autres termes, les ailes des oiseaux, des ptérosaures et des chauves-souris sont toutes des membres antérieurs, hérités de leur ancêtre commun. Cet héritage commun est ce qui fait d’un organe présent chez plusieurs espèces une structure homologue. Par exemple, l’aile d’un oiseau, celle d’une chauve souris, la nageoire d’un dauphin ou le bras d’un humain sont homologues entre eux. Les ailes des insectes, au contraire, ne sont pas issues des antérieurs d’un tétrapode, mais sont des organes différents, spécifiques à cette famille d’animaux et ne sont pas homologues à celles des oiseaux, même si elles remplissent la même fonction.

Figure 1: Exemples d'homologie de structures (Shimmi et al., 2014, Van Horic et al., 2012).

Les ailes des insectes (à gauche) sont homologues entre elles, les membres antérieurs des vertébrés (à droite) sont homologue entre eux, mais les ailes des oiseaux, chauves-souris et ptérodactyles ne sont pas homologue avec celles des insectes bien qu'elles remplissent la même fonction, car elles n'ont pas la même origine phylogénétique.

Les vertébrés utilisent globalement deux moyens pour voler. Des plumes chez les oiseaux, ou une membrane de peau chez les mammifères.

Mais pourquoi cette différence si nette ? Pourquoi, chez les oiseaux, n’observe-t'on que des ailes à plumes ? Un oiseau avec des ailes membraneuses comme une chauve-souris ne pourrait-il pas exister ? Il y a 159 millions d’années, une telle créature vivait dans ce qui est maintenant la Chine. Son nom est Yi qi.

En 2015, un article décrivant un tout petit dinosaure (Fig 2) de la famille des Scansoriopterigidés (Fig 3) est publié. Ce minuscule théropode de seulement 400 grammes possède un attribut étonnant : un os styliforme (Fig 4) sortant de l’extrémité distale du cubitus, au niveau du poignet, étrangement similaire à ceux que l’on trouve sur les chevilles des chauves-souris. Cela suggère que Yi qi, qui signifie « aile étrange » en mandarin, aurait pu avoir une membrane couvrant ses membres antérieurs qui lui aurait servi à voler ou à planer d’arbre en arbre.

Figure 2: Fossile de Yi qi retrouvé en chine en 2015 (Xu et al, 2015).

Figure 3: Position des scansoriopterigidés (en rouge), et pennaraptoriens (en vert) dans l'arbre phylogénétique des coelurosaures (Wang et al., 2019).

Figure 4: Reconstruction du squelette de Yi qi. L'os styliforme est indiqué par une flèche rouge (Xu et al, 2015).

Quelques années plus tard, un autre fossile de Scansoriopterigidé est découvert: Ambopteryx longibrachium (Fig 5). Non seulement il possède un os styliforme similaire, mais l’emprunte d’une membrane de peau est visible autour des doigts et du corps. Cette découverte constitue alors la confirmation qu’au moins une partie des Scansoriopterigidés possédaient des ailes membraneuses, et donc que Yi qi en était probablement également doté.

Figure 5: Fossile d'ambopteryx longibrachium. L'os styliforme est est indiqué par une flèche rouge. La membrane par une flèche verte.

Le vol était déjà une capacité connue chez les membre de la famille des Pennaraptoriens (Fig 3), mais tous les bon candidats au vol découverts jusqu’alors se servaient de plumes pour planer. La découverte de cette nouvelle stratégie de vol avec des ailes membraneuses a mené certains scientifiques à repenser entièrement son évolution chez les théropodes. Au lieu d’une progression linéaire partant de dinosaures terrestre pour arriver des oiseaux volants, la transition vers le vol a été chaotique, et cette capacité a évolué indépendamment plusieurs fois. Une série d’essai-erreur a vu le jour, et on estime que le vol est apparu indépendamment au moins trois fois simplement dans la famille des théropodes. Finalement, seules les ailes à plumes ont perduré jusqu’à nos jours. Plusieurs hypothèses pourraient expliquer cela. La première, c’est le hasard. En effet, l’évolution est en grande partie menée par le hasard. Des caractéristiques apparaissent aléatoirement et leur disparition peut être tous aussi hasardeuse. Un prédateur, une maladie, un événement catastrophique, et c’est la fin d’un caractère nouveau ou même d’une espèce entière. C’est peut être ce qui est arrivé aux Scansorioptérigidés, qui auraient disparu pour des raisons totalement indépendantes de leur stratégie de vol. Ce premier « brouillon » précurseur du vol tel qu’on le connaît aujourd’hui aurait été mis de côté à cause d’un manque de chance. Mais une étude soutient une autre hypothèse : les ailes membraneuses chez les théropodes n’étaient pas très efficaces (Dececchi et al. 2020). Il n’y a que très peu de chance que les Scansoriopterigidés aient été capable de vol battu. En effet, celui-ci nécessite des muscles pectoraux très développés qui utilisent des points d'ancrages osseux comme le bréchet chez les oiseaux modernes. Aucune trace de ce type de structure n'a été n'a été retrouvée chez les Scansoriopterigidés (Dececchi et al. 2020). Ils n’auraient été que des planeurs maladroits, incapables de décoller depuis le sol. D’après ces études, il y aurait une forte probabilité que les dinosaures à ailes plumées aient été bien meilleurs pour voler. Il y a donc une possibilité pour que ceux-ci aient écrasé les Scansoriopterigidés dans la course vers les cieux.

Dans tous les cas, les ailes de Yi qi n’étaient pas qu’une anomalie, puisque depuis, les chauves-souris ont développé une membrane similaire autour de doigts allongés pour voler. Ces deux espèces constituent un bel exemple d’évolution convergente (Fig 6). Elles ont développé de façon tout à fait indépendante et à des millions d’années d’écart des structures similaires pour arriver au même but.

Figure 6: Exemple d'évolution convergente. Plusieurs stratégies sont mises en places pour arriver au même but (Van Horik et al., 2012).

En résumé, il existait, il fut un temps, une petite créature qui ressemblait à un oiseau, mais pourvu d’ailes similaires à celles des chauves souris. Malheureusement, soit parce qu’elles étaient moins bien adaptées au vol que des ailes plumées, ou pour d’autres raisons indépendantes de la stratégie de vol, les ailes de Yi qi disparurent avec la famille des Scansoriopterigidés.

Yi est encore un animal très mystérieux. On ne possède que peu d’informations sur ses membres antérieurs. Malheureusement, la partie de l’os styliforme liée au poignet a disparu. On ne sait donc pas avec précision la position dans laquelle il était sur l’animal vivant, ni même s’il était articulé ou complètement fusionné avec les autres os. Plusieurs modèles basés sur la forme des ailes d'animaux connus (Fig 7) ont été suggérés pour répondre à la question de la position de l’os (Dececchi et al., 2020). La comparaison du rapport masse du corps/surface des ailes chez des animaux planeurs contemporains et éteints montre que pour les modèle "chauve-souris" et "ptérosaures", le rapport est comparable à celui calculé pour les mammifères et reptiles planeurs contemporains (Fig 8). Ces deux modèles sont donc les plus probables.

Figure 7: Différentes hypothèses concernant la position de l'os styliforme chez Yi Qi (Dececchi et al., 2020).

Figure 8: Comparaison du rapport masse du corps/surface des ailes chez des animaux planeurs contemporains et éteints. Plusieurs hypothèse sur la forme des ailes ont été étudiées chez Yi et Ambopteryx ("bat model", "pterosaur model", "maniraptoran model" et "frog model"). La bande verte met en évidence les valeurs du rapport masse/surface le plus souvent enregistrées pour les mammifères planeurs (Dececchi et al., 2020).

La partie postérieure de l’animal n’a pas non plus été retrouvée, ce qui laisse spéculer sur son apparence. Dans ce cas de figure, il est très commun de s’inspirer d’animaux apparentés dont on a retrouvé les parties qui manquent au fossile que l’on tente de décrire. Ambopteryx longibrachium avait un pygostyle, os issu de la fusion des dernières vertèbres caudales chez les oiseaux qui forme le croupion, et qui est associé à la présence de plumes de queues. On a retrouvé les empruntes des plumes de queues, au nombre de quatre, d’un autre Scansorioptérigidé, Epidexipteryx hui (Fig 9). Il y a donc une possibilité que Yi possédait ces attributs aussi.

Figure 9: Fossile d'Epidexipteryx hui montrant les plumes de la queue (Zang, 2008).

La reconstruction de Yi est disponible sur le site, et les étapes de créations sont visible sur la chaine Youtube Critter Crafter.

Références:

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