Les plésiosaures, qui vivaient il y a environ 210 millions d'années, se sont adaptés à la vie sous l'eau d'une manière unique :leurs pattes avant et arrière ont évolué au cours de l'évolution pour former quatre nageoires uniformes en forme d'ailes. Dans sa thèse supervisée à la Ruhr-Universität Bochum et à l'Université de Bonn, le Dr Anna Krahl a étudié comment ils les utilisaient pour se déplacer dans l'eau. En partie en utilisant la méthode des éléments finis, largement utilisée en ingénierie, elle a pu montrer qu'il était nécessaire de tordre les nageoires pour avancer. Elle a pu reconstituer l'enchaînement des mouvements à l'aide d'os, de modèles et de reconstructions des muscles. Elle rapporte ses découvertes dans le PeerJ magazine du 3 juin 2022.

Les plésiosaures appartiennent à un groupe de sauriens appelés Sauropterygia, ou lézards à aubes, qui se sont réadaptés à la vie dans les océans. Ils ont évolué à la fin du Trias il y a 210 millions d'années, ont vécu en même temps que les dinosaures et se sont éteints à la fin du Crétacé. Les plésiosaures se caractérisent par un cou souvent extrêmement allongé avec une petite tête - les élasmosaures ont même le cou le plus long de tous les vertébrés. Mais il y avait aussi de grandes formes prédatrices avec un cou plutôt court et d'énormes crânes. Chez tous les plésiosaures, le cou est attaché à un corps en forme de larme, hydrodynamiquement bien adapté avec une queue nettement raccourcie.

Les chercheurs se demandent depuis 120 ans comment les plésiosaures nageaient

La deuxième caractéristique qui rend les plésiosaures si inhabituels est leurs quatre nageoires uniformes en forme d'ailes. "La transformation des pattes avant en nageoires en forme d'aile est relativement courante dans l'évolution, par exemple chez les tortues de mer. Jamais plus, cependant, les pattes arrière n'ont évolué en une aile en forme de profil aérodynamique presque identique", explique Anna Krahl, dont la thèse de doctorat a été dirigée par le professeur P. Martin Sander (Bonn) et le professeur Ulrich Witzel (Bochum). Les tortues de mer et les pingouins, par exemple, ont des pattes palmées. Depuis plus de 120 ans, les chercheurs en paléontologie des vertébrés se demandent comment les plésiosaures auraient pu nager avec ces quatre ailes. Ont-ils ramé comme des tortues d'eau douce ou des canards ? Ont-ils volé sous l'eau comme les tortues de mer et les pingouins ? Ou ont-ils combiné le vol sous-marin et l'aviron comme les otaries des temps modernes ou la tortue à nez de cochon ? Il est également difficile de savoir si les nageoires avant et arrière ont battu à l'unisson, en opposition ou déphasées.

Anna Krahl étudie la structure corporelle des plésiosaures depuis plusieurs années. Elle a examiné les os de l'épaule et de la ceinture pelvienne, les nageoires avant et arrière et les surfaces articulaires de l'épaule du plésiosaure Cryptoclidus eurymerus de la période du Jurassique moyen (il y a environ 160 millions d'années) sur un squelette complet exposé au musée Goldfuß de la Université de Bonn. Les plésiosaures ont des articulations raidies du coude, du genou, de la main et de la cheville, mais des articulations fonctionnelles de l'épaule, de la hanche et des doigts.

"Une analyse les comparant aux tortues de mer modernes, et sur la base de ce que l'on sait de leur processus de nage, a indiqué que les plésiosaures n'étaient probablement pas capables de faire pivoter leurs nageoires autant que nécessaire pour ramer", conclut Krahl, résumant l'un de ses papiers préliminaires. L'aviron est principalement un mouvement de va-et-vient qui utilise la résistance de l'eau pour avancer. La direction préférée du mouvement des nageoires chez les plésiosaures, en revanche, était de haut en bas, telle qu'elle est utilisée par les aviateurs sous-marins pour générer la propulsion.

Les muscles des études précédentes ont été enfilés dans ce modèle pour mieux comprendre leur géométrie. Le modèle permettait également de modifier la position des nageoires pour mesurer l'allongement ou le raccourcissement des muscles.

La question restait de savoir comment les plésiosaures pouvaient finalement tordre leurs nageoires pour les placer dans une position favorable sur le plan hydrodynamique et produire une portance sans faire tourner le bras et la cuisse autour de l'axe longitudinal. "Cela pourrait fonctionner en tordant les nageoires autour de leur axe longitudinal", explique Anna Krahl. "Il a également été démontré que d'autres vertébrés, tels que la tortue luth, utilisent ce mouvement pour générer une propulsion par portance." La torsion, par exemple, consiste à plier le premier doigt vers le bas et le dernier doigt vers le haut. Les doigts restants comblent ces positions extrêmes de sorte que la pointe de la nageoire est presque verticale sans nécessiter de véritable rotation de l'épaule ou du poignet.

Une reconstruction des muscles des nageoires antérieures et postérieures de Cryptoclidus à l'aide de reptiles vivants aujourd'hui a montré que les plésiosaures pouvaient activer activement une telle torsion des nageoires. En plus des modèles classiques, les chercheurs ont également réalisé des tomographies informatiques de l'humérus et du fémur de Cryptoclidus et les ont utilisées pour créer des modèles 3D virtuels. "Ces modèles numériques ont servi de base au calcul des forces à l'aide d'une méthode que nous avons empruntée à l'ingénierie :la méthode des éléments finis, ou EF", explique Anna Krahl. Tous les muscles et leurs angles d'attache sur l'humérus et le fémur ont été reproduits virtuellement dans un programme informatique FE capable de simuler des charges fonctionnelles physiologiques, par exemple sur des éléments de construction mais aussi sur des prothèses. Sur la base des hypothèses de force musculaire d'une étude similaire sur les tortues marines, l'équipe a pu calculer et visualiser la charge sur chaque os.

La torsion des nageoires peut être prouvée indirectement

Au cours d'un cycle de mouvement, les os des membres sont sollicités par compression, tension, flexion et torsion. "Les analyses FE ont montré que l'humérus et le fémur des nageoires sont fonctionnellement chargés principalement par compression et dans une bien moindre mesure par contrainte de traction", explique Anna Krahl. "Cela signifie que le plésiosaure a construit ses os en utilisant aussi peu de matériel que nécessaire." Cet état naturel ne peut être maintenu que si les muscles qui tordent les nageoires et les muscles qui s'enroulent autour de l'os sont inclus. "Nous pouvons donc prouver indirectement que les plésiosaures tordaient leurs nageoires pour nager efficacement", résume Anna Krahl.

L'équipe a également pu calculer les forces pour les muscles individuels qui ont généré la course ascendante et descendante. Par exemple, il s'est avéré que le coup vers le bas des deux paires de palmes était plus puissant que le coup vers le haut. C'est comparable à nos tortues marines d'aujourd'hui et différent des pingouins d'aujourd'hui, qui avancent de la même distance avec le coup vers le haut qu'avec le coup vers le bas. "Les plésiosaures se sont adaptés à la vie dans l'eau d'une manière très différente des baleines, par exemple", note Anna Krahl, qui travaille maintenant à l'université Eberhard Karls de Tübingen, en Allemagne. "Cette voie d'évolution unique illustre l'importance de la recherche paléontologique, car c'est la seule façon d'apprécier toute la gamme de ce que l'évolution peut apporter."