Les os du pied qui sont séparés chez les petits rongeurs sautillants sont fusionnés chez leurs plus grands cousins, et une équipe de chercheurs de l'Université du Michigan et de l'Université de Californie à San Diego a voulu savoir pourquoi.

Il semble qu'une fois que l'évolution a mis les os de jerboa sur la voie de la fusion, ils ont dépassé la quantité optimale de fusion - la structure qui dissipe le mieux les contraintes du saut et de l'atterrissage - pour devenir complètement liés.

Cette découverte pourrait éclairer la conception de futures jambes robotiques capables de résister aux forces plus élevées associées aux rafales rapides de locomotion agile.

Les jerboas sont des rongeurs du désert qui sautent de manière erratique sur deux pattes pour éviter les prédateurs. Dans l'arbre généalogique de la gerboise, ces deux pattes peuvent être très différentes :il existe des espèces qui ne pèsent que trois grammes et d'autres qui pèsent 400 grammes, les espèces plus lourdes arborant des os des pieds ou des métatarsiens très différents. Les gerboises plus légères sont comme la plupart des autres mammifères, y compris les humains :leurs os métatarsiens du pied sont séparés les uns des autres.

"Nous voulions explorer pourquoi nous ne voyons ces os fusionnés que dans des gerboises plus grandes", a déclaré Carla Nathaly Villacís Núñez, doctorante en génie mécanique à l'UM et première auteure de l'étude dans Proceedings of the Royal Society B .

"Nous avons constaté que les os fusionnés présentaient des contraintes plus faibles que les os non fusionnés, se renforçant ainsi contre des charges plus élevées", a-t-elle déclaré. "Mais nous avons également découvert que les os partiellement fusionnés présentaient des contraintes encore plus faibles que les os entièrement fusionnés. Une hypothèse est que les gerboises entièrement fusionnées ont un dépassement évolutif."

Pour étudier les performances osseuses d'une espèce à l'autre, les chercheurs ont effectué des micro-scans de spécimens de musée et construit des modèles 3D des métatarsiens de la gerboise dans un logiciel, puis les ont mis à l'échelle à des tailles égales et les ont testés sous contrainte lorsqu'ils frappaient, fléchissaient et sautaient d'une surface. .

Les plus petites jerboas ont trois os métatarsiens séparés, qui sont capables de supporter la petite taille du rongeur même s'ils sont utilisés pour des sauts à fort impact. Les espèces de jerboa plus récentes et plus grandes ont complètement fusionné ces trois os en un seul. Les espèces de poids intermédiaire ont quelque chose entre les deux :un métatarsien avec des restes d'os à l'intérieur où il a partiellement fusionné, comme un faisceau de bâtons.

"Notre équipe interdisciplinaire a appliqué des techniques d'ingénierie de pointe pour démêler un puzzle évolutif", a déclaré Talia Moore, professeure adjointe de robotique à l'U-M et auteure principale de l'étude.

"L'évolution a atteint un point avantageux de géométrie partiellement fusionnée, mais l'élan évolutif a peut-être continué à fusionner complètement les métatarses. Parce que les os entièrement fusionnés sont encore suffisants pour empêcher la rupture, il n'y avait probablement aucune pression évolutive pour arrêter la fusion."

L'équipe de recherche note que des analyses similaires pourraient aider à découvrir d'autres façons dont le squelette a changé de forme pour compenser l'évolution des espèces de la locomotion quadrupède, ou marchant sur quatre pieds, à la locomotion bipède.

"Alors que les kangourous, les primates et autres rongeurs ont convergé vers la bipédie, la dynamique de leur locomotion et les changements anatomiques associés à ce changement sont assez différents dans chaque cas", a déclaré Andrew Ray, un étudiant de premier cycle étudiant la science et l'ingénierie des matériaux dans le laboratoire de Moore. /P>

"Grâce à une analyse similaire, nous avons pu simuler comment les os du pied d'ancêtres humains disparus auraient pu subir des contraintes lors de la marche, de la course ou d'autres moyens de locomotion."

Un autre auteur est Kimberly Cooper, professeur de biologie du développement à l'Université de Californie à San Diego, qui a formulé l'idée du projet avec Moore lors d'une étude distincte retraçant l'évolution et le développement de la fusion métatarsienne chez les jerboas. L'expertise de Cooper a été essentielle pour comprendre les implications évolutives des résultats.