Les plumes : l’une des inventions les plus ingénieuses de l’évolution
(scientificamerican.com)- En octobre 2022, le jeune Bar-tailed Godwit B6 a volé sans interruption sur 8 425 miles entre l’Alaska et la Tasmanie en 11 jours, et les plumes rendent ce vol possible en assurant isolation thermique, imperméabilité et formation de la surface portante
- Depuis les années 1990, les fossiles montrent que les plumes n’étaient pas propres aux oiseaux mais largement répandues chez plusieurs dinosaures théropodes, et que les proto-plumes pourraient remonter à l’ancêtre commun des dinosaures et des ptérosaures
- Pour les plumes de vol, l’élément crucial n’est pas une simple différence gauche-droite mais l’asymétrie aérodynamique : le vexille postérieur doit être au moins trois fois plus large que l’antérieur pour contribuer à la stabilisation en vol
- Les plumes assurent aussi l’isolation, la parade, l’aide à l’audition, le vol silencieux et la réduction de la traînée sous l’eau, avec de fortes spécialisations écologiques chez des oiseaux comme les chouettes, les colibris et les manchots
- Les attaches de type Velcro, l’atténuation du bruit chez les chouettes et le contrôle de la couche limite chez les manchots ont conduit à des applications technologiques comme les fixations temporaires, la réduction du bruit de ventilation et des prototypes en robotique
Le vol longue distance de B6 et le rôle des plumes
- En octobre 2022, un jeune Bar-tailed Godwit nommé B6 a volé pendant 11 jours entre son site d’éclosion en Alaska et son site d’hivernage en Tasmanie
- Distance totale : 8 425 miles
- Il a continué à battre des ailes sans se poser, sans se nourrir et sans boire
- Sa vitesse moyenne au sol était de 30 miles par heure
- Ce vol mobilise aussi la force musculaire, un métabolisme élevé et une tolérance physiologique à des taux élevés de cortisol
- Les plumes remplissent simultanément plusieurs fonctions qui permettent à ce petit oiseau de tenir environ 250 heures
- Elles gardent son corps au chaud la nuit pendant le survol du Pacific Ocean
- Elles repoussent la pluie
- Elles forment la surface portante de l’aile et contribuent à la portance et à la propulsion
Les plumes sont apparues avant les oiseaux
- Aujourd’hui, les oiseaux sont les seuls animaux à porter des plumes, mais les découvertes fossiles depuis les années 1990 montrent que les plumes ne sont pas une invention propre aux oiseaux
- Les plumes étaient largement répandues dans plusieurs lignées de théropodes (theropods), des dinosaures carnivores bipèdes, et les oiseaux les ont héritées de leurs ancêtres théropodes
- Les proto-plumes pourraient remonter à l’ancêtre commun des dinosaures et des ptérosaures
- Des soies simples, des couvertures de type duvet et des structures proches des plumes ont peut-être existé chez bien plus de dinosaures que ceux dont des fossiles en ont conservé la trace
- Les plumes pennacées (pennaceous feathers), larges et aplaties, sont elles aussi apparues avant les oiseaux
- Ce sont des structures aptes au vol, courantes sur les ailes et la surface du corps des oiseaux modernes
- La lignée des Pennaraptoran, qui comprend les oiseaux et des espèces comme Velociraptor, tire son nom de ces plumes
Dans les plumes de vol, l’essentiel n’est pas la forme mais le fonctionnement
- Les capacités de vol des premiers Pennaraptoran restent débattues
- Chez certaines espèces, les « ailes » étaient probablement trop petites par rapport à la grande taille du corps pour permettre le vol
- Dans ce cas, les plumes pennacées ont pu servir principalement à la parade
- Les petits dinosaures forestiers à quatre ailes comme Microraptor sont encore plus difficiles à interpréter
- Autrefois, l’asymétrie du vexille (vane asymmetry) était considérée comme déterminante pour juger de la capacité de vol
- Chez les oiseaux volants actuels, les rémiges primaires de la main ont un vexille antérieur plus étroit que le vexille postérieur
- Des fossiles d’espèces proches de Microraptor montrent aussi des plumes asymétriques, ce qui a été utilisé comme argument en faveur du vol
- Des travaux récents en biomécanique du vol montrent qu’une simple asymétrie anatomique ne suffit pas
- Ce qui compte, c’est l’asymétrie aérodynamique
- Le vexille postérieur doit être au moins 3 fois plus large que l’antérieur pour que la torsion de la plume contribue à la stabilisation en vol
- En dessous de ce ratio, la torsion de la plume provoque une déstabilisation plutôt qu’une stabilisation
- Le premier Pennaraptoran Microraptor ne possédait pas de plumes présentant ce niveau d’asymétrie aérodynamique
- Toutefois, si les plumes se chevauchent étroitement sans se séparer, la stabilité peut exister même sans asymétrie
- L’asymétrie devient importante lorsqu’il y a fente alaire (slotting) entre les rémiges primaires, comme chez les rapaces modernes
- Microraptor avait peut-être des ailes longues et étroites, avec des extrémités d’ailes serrées et sans slotting
Les fentes alaires chez les oiseaux et l’évolution répétée du vol chez les dinosaures
- Une équipe dirigée par Michael Pittman a examiné ensemble les données sur l’asymétrie des vexilles et celles sur les muscles du vol chez les dinosaures proches des oiseaux
- L’équipe estime qu’un vol battu plutôt qu’un simple vol plané a probablement évolué plusieurs fois chez les dinosaures
- La seule lignée survivante aujourd’hui est celle des oiseaux
- Ce n’est que chez les oiseaux que les plumes de vol ont atteint le niveau actuel de capacité de transformation morphologique
- La capacité des plumes à se tordre de la bonne manière rend possibles les fentes alaires en bout d’aile
- Ces fentes augmentent l’efficacité de l’aile à basse vitesse
- Une aile avec fentes se comporte comme une aile plus longue et plus étroite que sa longueur anatomique réelle
- L’extrémité de l’aile résiste mieux au décrochage, ce qui réduit les pertes de portance
- Cette structure influe sur des styles de vol très variés
- Les oiseaux marins comme les albatross et les petrels planent efficacement avec des ailes longues et étroites
- Les fentes permettent aussi le vol plané avec des ailes plus larges, ce qui a rendu possible l’évolution d’oiseaux planeurs à ailes larges comme les vultures et les hawks
- Elles contribuent aussi au vol explosif sur courte distance d’oiseaux comme les grouse
- Elles augmentent la maniabilité des oiseaux vivant en forêt et dans des environnements complexes, des songbirds aux toucans
- La maniabilité rendue possible par les ailes à fentes a peut-être aidé les oiseaux à rivaliser avec les ptérosaures et à survivre à l’extinction de masse de la fin du Crétacé
Les types de plumes et leur développement
- Chez les oiseaux, les plumes diffèrent par leur taille, leur forme et leur fonction selon la région du corps
- La morphologie des plumes peut être vue comme un spectre unique
- À une extrémité se trouvent les grandes plumes de vol, relativement rigides, des ailes et de la queue
- À l’autre, le duvet, court et souple, plaqué près du corps pour retenir la chaleur
- Toutes les plumes possèdent un axe central et des ramifications souples appelées barbes (barbs)
- Dans les plumes de vol, les barbes s’emboîtent comme les crochets d’un Velcro pour former un vexille lisse et coupe-vent
- Dans le duvet, les barbes sont lâches et gonflantes, ce qui retient la chaleur
- Les contour feather combinent une extrémité en vexille de type plume de vol avec des barbes lâches proches du duvet
- Les bristle feather autour du visage peuvent assurer une fonction de protection et de sensation, en combinant un axe rigide et une base souple
- Les plumes sont des phanères cutanés, comme les écailles, les épines et les poils
- Les plumes pennacées commencent sous forme de tube, puis s’ouvrent dans le sens de la longueur pour former deux vexilles
- Plusieurs gènes et molécules interagissent avec l’environnement pour déterminer la structure des plumes
- Le degré d’emboîtement des barbes qui forment le vexille
- La taille et la forme du rachis, l’axe central
- La présence ou non d’une structure mousseuse à l’intérieur du rachis, qui augmente la rigidité par rapport au poids
- Les différences entre types de plumes reposent en partie sur des différences génétiques, mais proviennent surtout de modifications de la régulation génétique, comme le moment où les gènes s’activent ou se désactivent pendant le développement de la plume et l’intensité de leur activité
Même les plumes de parade résultent de compromis mécaniques
- Les plumes de parade sont des plumes voyantes qui servent à attirer un partenaire
- Elles peuvent se distinguer par leur couleur, comme les plumes iridescentes de la gorge des hummingbirds
- Elles peuvent aussi croître de façon spectaculaire, comme la huppe et la queue du peacock
- Traditionnellement, ces plumes étaient considérées comme le produit de la sélection sexuelle, où le choix du partenaire guide l’évolution du trait
- Des travaux plus récents les décrivent comme le résultat de compromis complexes entre pressions sociobiologiques et contraintes de mécanique biologique
- Les longues plumes de parade ne poussent pas n’importe où sur le corps
- Elles apparaissent surtout sous le bas du dos et sur la queue, où elles perturbent relativement moins les performances de vol
- Chez le mâle Resplendent Quetzal, les plumes de la queue peuvent atteindre jusqu’à 3 pieds pendant la saison de reproduction
- Chez certains oiseaux, les longues plumes caudales peuvent produire des forces aérodynamiques suffisantes pour supporter une part importante de leur poids supplémentaire
- Les longues plumes caudales du quetzal perdent leur structure d’emboîtement serrée et deviennent une forme intermédiaire entre plume pennacée et duvet
- Cette structure laisse passer beaucoup d’air, ce qui limite la portance et constitue probablement une adaptation réduisant l’instabilité
- Les plumes de parade ajoutent de la traînée et augmentent le coût du vol, mais ce coût pourrait être plus faible qu’on ne le pensait
- En particulier, la microstructure des streamer de queue offre un équilibre entre rigidité, poids et forme
- Elles doivent conserver leur forme pour jouer leur rôle de signal
- Mais elles ne doivent pas être si rigides qu’elles déstabilisent l’oiseau lors des rafales ou des manœuvres brusques
Les plumes des chouettes : capter le son et supprimer le bruit du vol
- Le disque facial des chouettes est un large éventail semi-circulaire de plumes autour des yeux et des oreilles
- Le crâne lui-même est long et étroit, mais les plumes qui entourent le visage transforment fortement la silhouette de la chouette
- Le disque facial n’est pas seulement décoratif : il sert à canaliser le son vers les oreilles
- Les oreilles sont décalées verticalement
- Les structures de l’oreille moyenne et interne sont extrêmement sensibles
- Grâce à cette combinaison, les chouettes peuvent viser la position d’une proie sans la voir
- Elles utilisent toutefois aussi la vision pour la capture finale
- Une excellente audition ne suffit pas à elle seule
- Si les plumes des ailes produisent du bruit, il devient difficile d’approcher des proies sur leurs gardes
- Le bruit du vol de l’oiseau peut aussi masquer les faibles sons produits par la proie
- Les chouettes ont évolué vers des caractéristiques plumaires qui les rendent presque inaudibles en vol
- La surface des plumes a une texture veloutée qui réduit le bruit lorsqu’elles se frottent entre elles
- Les plumes du bord d’attaque de l’aile portent une structure en peigne
- Les plumes du bord de fuite présentent des franges duveteuses
- Le peigne du bord d’attaque crée dans l’air une micro-vorticité qui maintient l’écoulement principal collé à l’aile
- Lorsque cet écoulement passe sur les franges du bord de fuite, il produit un sillage dépourvu d’ondes cohérentes de pression linéaire, et donc silencieux
- Les chouettes modernes se divisent en deux groupes, les tytonidés et les strigidés
- Les deux groupes présentent un vol silencieux
- Leur dernier ancêtre commun vivait il y a au moins 50 millions d’années
- Les caractères du vol silencieux pourraient remonter jusqu’à cet ancêtre commun
Les adaptations extrêmes des plumes chez les colibris et les manchots
- Les plumes les plus rigides se rencontrent chez deux groupes très différents : les colibris et les manchots
- Les colibris utilisent une fréquence de battement très élevée et un mouvement d’aile inhabituel pour faire du surplace devant les fleurs et aspirer le nectar
- Contrairement à la plupart des oiseaux, ils tirent une part importante du soutien du poids et de la propulsion non seulement à la descente, mais aussi à la remontée
- Ils y parviennent en faisant pivoter l’épaule pour retourner complètement l’aile
- Cette stratégie exige des ailes extrêmement rigides
- La rigidité est fournie par le renforcement des os de l’aile et par des plumes dotées d’un rachis très rigide
- Les manchots, incapables de voler, ont transformé leurs plumes pour la vie aquatique et terrestre
- Le revêtement de tout le corps est devenu une mosaïque dense de petites plumes
- Chaque plume est très rigide
- Ensemble, elles forment à la surface des ailes et du corps une texture qui contrôle la couche limite pendant la nage
- L’enveloppe externe rugueuse des plumes du manchot retient une gaine d’eau lisse qui réduit la traînée et diminue le coût énergétique de la nage
- Le plumage dense emprisonne aussi un peu d’air et fournit une isolation, sans pour autant rendre le manchot excessivement flottant
- Une fois les contraintes du vol disparues, les manchots ont abandonné l’ornementation plumée typique de leurs ancêtres pour acquérir des plumes réduisant la traînée et la flottabilité minimale
- Cette adaptation contribue à leur permettre de plonger à plus de 1 600 pieds pour chercher krill, fish et autres proies sous-marines
Ce que les plumes ont inspiré à la technologie
- Les plumes constituent un système modèle idéal pour comprendre comment évoluent des structures complexes et comment anatomie et comportement s’influencent au fil du temps
- Plusieurs de leurs propriétés ont déjà conduit à des innovations technologiques en sciences appliquées
- Le mécanisme de type Velcro qui relie les barbes des plumes pennacées est à la base de systèmes de fixation temporaire avancés
- Les franges d’atténuation du bruit des plumes de chouette ont inspiré des systèmes de réduction du bruit de ventilation
- La texture de surface et les principes de contrôle de la couche limite des plumes de manchot sont principalement appliqués à des prototypes en robotique
- Les plumes réunissent, dans un seul ensemble de structures biologiques, des fonctions aussi diverses que l’isolation, le vol, la parade, la discrétion et l’efficacité de nage
1 commentaires
Avis de Hacker News
Article intéressant, et il ne parlait pas seulement de plumes. Les annexes cutanées recèlent encore beaucoup d’énigmes génétiques non résolues ; par exemple, je me demande comment les ongles et les cheveux humains font pour pousser dans une seule direction, et toujours ainsi.
Le Microraptor évoqué en aparté m’a particulièrement frappé : il avait quatre ailes. Ça ne veut pas dire qu’il ressemblait à un dragon — un dragon devrait plutôt être un insecte —, mais c’était un quadrupède ordinaire qui utilisait ses quatre membres pour voler. En vol, il devait ressembler à un F-35.
Au final, il semble que deux ailes aient été la solution optimale, non seulement pour la mobilité au sol, mais aussi en raison d’une optimisation à double sens de la furcula et des muscles pectoraux. Il devait être difficile de fournir assez de puissance à des pattes arrière à double usage et, malheureusement, l’article Wikipédia sur Microraptor n’approfondit pas vraiment ce point.
En plus, il est difficile de dire que les oiseaux sont clairement les vertébrés volants actuels les plus optimisés.
Comment les poils des bras et des jambes « savent-ils » quelle est leur limite de longueur ?
La croissance se fait toujours vers l’extérieur, mais on ne peut pas dire que le contrôle de la direction soit parfait.
Et si l’on ne fait pas attention, la turbulence et les tourbillons créés par l’aile avant peuvent ruiner l’aile arrière.
Si, sur des millions d’années, la Terre redevient aussi chaude qu’un sauna de l’ère des dinosaures, les mammifères ne seront peut-être plus dominants. Il est peut-être temps d’accueillir de nouveaux maîtres aviaires.
Ils évolueront peut-être à partir des corbeaux, qui sont de toute façon plus optimisés à bien des égards. Dommage toutefois qu’il n’y ait plus de gisements de charbon, de pétrole et de gaz naturel pour bâtir une première civilisation industrielle.
Dans le pire des cas, il suffira d’inventer la technique permettant de transformer le bois en charbon de bois, puis le charbon de bois en coke, afin de produire un feu assez chaud pour fondre le fer. L’aluminium résiste assez bien à la corrosion et peut fondre dans un bon feu de bois ; une espèce aviaire aura sans doute une préférence plus marquée pour les métaux légers.
Ces monstres avaient une envergure de plus de 10 m, étaient des prédateurs au sommet de la chaîne, et leur corps était conçu en conséquence. Tant qu’à faire, autant créer un dragon digne du spectacle…
Ces « nouveaux maîtres aviaires » ne sont d’ailleurs pas vraiment nouveaux. Les oiseaux sont des théropodes, comme le T-Rex ; ce serait simplement un retour à la forme originelle.
https://archive.is/20240416202627/https://www.scientificamer...
Bon article. Cela dit, j’hésite un peu à qualifier les plumes de l’une des inventions les plus ingénieuses de l’évolution.
La nature regorge d’ingénierie évolutive étonnante, du gigantesque au minuscule, en passant par le sophistiqué et le diversifié. Le cœur de la baleine bleue, le cerveau de la lignée humaine, les différents types d’yeux comme les yeux composés, les yeux à sténopé ou les yeux à cristallin, jusqu’aux globules blancs : partout, on trouve des prouesses d’ingénierie admirables.
Les plumes en feraient sans doute partie.
En octobre 2022, un oiseau portant le nom de code B6 a établi un record mondial aviaire qui est presque passé inaperçu en dehors de l’ornithologie. B6, une jeune barge rousse, a parcouru 8 425 miles sans s’arrêter en 11 jours, depuis son site de reproduction en Alaska jusqu’à son aire d’hivernage en Tasmanie.
Plusieurs facteurs contribuent à cette capacité sportive remarquable : la force musculaire, un métabolisme élevé et une physiologie capable de tolérer des niveaux accrus de cortisol.
Il y a aussi un fait amusant que l’article omet : lors de ces vols longue distance, les oiseaux ne dorment que d’un hémisphère cérébral à la fois. Ils ne piquent donc pas du nez au point de tomber du ciel.
Autre fait intéressant : les humains aussi connaissent des micro-sommeils lorsqu’ils conduisent sur de longues distances. Les yeux restent ouverts et les mains sur le volant, mais le cerveau perd conscience pendant quelques secondes. La plupart du temps, on ne s’en rend même pas compte…
Il y a cette formule : « sans atterrir, sans manger, sans boire et sans cesser de battre des ailes », mais je comprends que de telles distances ne sont pas rendues possibles par un simple « battement d’ailes » ; elles le sont plutôt par de petits ajustements qui exploitent les forces puissantes présentes entre les courants d’air et les vagues pendant la traversée de l’océan
Par exemple, un planeur radiocommandé non motorisé a déjà dépassé 548 miles par heure en n’utilisant que les énergies naturelles que sont le vent et la gravité
https://www.youtube.com/watch?v=4eFD_Wj6dhk
https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_soaring
Si vous avez déjà vu cet oiseau dans la nature, vous voyez pourquoi. C’est un oiseau qui ne fait que battre des ailes, sans autre mode de vol
En revanche, l’albatros utilise le vol de gradient dynamique et peut parcourir des distances encore plus grandes que la barge rousse. Il peut faire plusieurs fois le tour de l’océan Austral. L’albatros a aussi l’avantage supplémentaire de pouvoir se reposer sur l’eau, ce que la barge rousse ne peut pas faire
C’est probablement l’une des raisons pour lesquelles les requins ont survécu si longtemps. Ils peuvent être extrêmement résistants aux situations de famine
Je ne suis pas allé à Parker Mountain, mais les histoires des gens de là-bas étaient vraiment excellentes. 100 G, ça trouve les points faibles d’un modèle, et en général de façon explosive
Le surf des pélicans est amusant aussi : https://www.youtube.com/watch?v=cEFrSycTvRk
Très bon article. Je sais que certains des premiers théoriciens de l’évolution se sont interrogés sur l’évolution des plumes et des ailes, car elle semble difficile à expliquer de façon graduelle
Tant qu’on n’en est pas au point de pouvoir planer, de petits battements avec des plumes ne semblent pas apporter grand avantage
L’une des principales hypothèses est que les plumes ont évolué pour garder les animaux au chaud, puisqu’elles sont aussi de bons isolants. Je me demande si c’est encore la théorie dominante
https://en.wikipedia.org/wiki/Origin_of_avian_flight#Hypothe...
Vidéo sur l’hypothèse de la « course inclinée assistée par les ailes » :
"The Origin of Flight--What Use is Half a Wing?" https://www.youtube.com/watch?v=JMuzlEQz3uo
Avant, je pensais que les plumes ou les ailes avaient peut-être d’abord évolué chez des organismes marins. Même une toute petite couverture, ou des mini-ailes/nageoires, peut améliorer l’hydrodynamique ou le contrôle de la nage ; il n’y a donc pas besoin de passer d’un coup d’un état inutile à un état permettant de voler. Je n’ai pas vérifié si c’était réellement le cas
Une recherche rapide donne cette phrase :
« Les premières plumes servaient donc à l’isolation, à la communication et à l’imperméabilisation, et non à l’aérodynamique ou au vol. »
https://www.britannica.com/animal/bird-animal/The-origin-of-...
« Les deux principales théories concurrentes publiées reposent sur l’idée que les plumes servaient soit d’isolant contre la perte de chaleur corporelle, soit de surface aérodynamique pour le vol. Cependant, faute de connaissances sur le rôle et les relations écologiques des proto-plumes et des plumes les plus primitives, il est impossible de confronter solidement ces théories, ou d’autres proposées lors de ce symposium, à des observations empiriques objectives afin de déterminer lesquelles sont réfutées ou les plus plausibles. »
https://academic.oup.com/icb/article/40/4/478/101404#
Ce qui est intéressant dans la science de l’évolution, c’est qu’elle n’a pas besoin d’un modèle sous-jacent pour vérifier si une telle invention est réellement possible ; il suffit que cette invention puisse exister
En gros, on peut dire que tout est possible avec l’évolution, et pour moi cela ne ressemble pas vraiment à de la science
On pourrait même dire que ce n’est pas de la science. Il lui manque l’intention dirigée qui se trouve derrière. Pour moi, l’évolution n’est pas le produit d’un effort conscient, mais un comportement émergent des individus et des systèmes qui y participent
Si l’on reprend la définition de « science » sur Wikipédia, c’est « une entreprise rigoureuse et systématique qui construit et organise les connaissances sous forme d’explications et de prédictions vérifiables concernant le monde ». Dans l’évolution, la vérification a clairement lieu, mais ce n’est pas un effort systématique, ou du moins je n’en suis pas convaincu
Parce que, indépendamment de la politique — c’est-à-dire de ce que les autres pensent — seul ce qui fonctionne survit
Une autre caractéristique qui rend les oiseaux vraiment incroyables, si je ne me trompe pas, c’est qu’ils absorbent de l’oxygène à la fois à l’inspiration et à l’expiration
Les plumes sont formidables, mais pour qu’un être comme B6 vole pendant dix jours d’affilée, il faut une quantité d’énergie énorme
À l’inverse, la partie des poumons des oiseaux qui extrait l’oxygène ressemble moins à un système où l’air va et vient qu’à un dissipateur thermique traversé par un flux d’air dans une direction constante
Ma femme élève un African Gray parrot, et parfois, quand je me contente de le regarder, je suis émerveillé : j’ai l’impression d’avoir sous les yeux quelque chose qui remonte jusqu’aux dinosaures.
Il est aussi assez intelligent. Il reconnaît les gens et les objets, et associe des mots à leur usage. Par exemple, quand un chat noir entre dans la cuisine pour voir s’il y a quelque chose à manger, il dit « Get out », comme je le ferais.
Comme c’est une espèce tropicale vivant dans les arbres, il n’a pas de glande uropygienne pour enduire ses plumes d’huile, mais il a un duvet qui, lors du toilettage, se désagrège finement et devient de la poussière.