Les premières mâchoires des animaux ont optimisé la force et la vitesse de morsure

L’évolution des mâchoires chez les premiers vertébrés était une innovation extrêmement significative. Les archives fossiles montrent que les premiers poissons à mâchoires existaient au début de la période dévonienne, il y a un peu plus de 400 millions d’années. Avant cela, tous les poissons étaient dépourvus de mâchoires, un peu comme les myxines et les lamproies d’aujourd’hui. Les mâchoires permettaient aux vertébrés d’exploiter un large éventail de sources de nourriture et de devenir de redoutables prédateurs.

Cependant, une équipe de recherche dirigée par l’Université de Bristol a montré que les poissons dotés des mâchoires les plus précoces étaient coincés dans un compromis entre maximiser la force de leurs mâchoires et leur vitesse de morsure. Des mâchoires grandes et fortes permettraient au poisson de manipuler des proies de taille importante, mais le poids de ces mâchoires rendrait impossible des réactions ultra-rapides. Il semble que, quelle que soit la manière particulière dont les premières espèces de poissons ont évolué pour utiliser leurs mâchoires, elles ont toujours été confrontées au même compromis.

Les mâchoires ont évolué à partir des arcs branchiaux des poissons sans mâchoires ; ces structures soutenaient les branchies des premiers poissons et avaient donc davantage une fonction d’échange gazeux. En fait, l’avantage sélectif initial obtenu par les poissons dotés de mâchoires était probablement lié à une efficacité accrue des échanges gazeux plutôt qu’à l’alimentation. Pourtant, les avantages des mâchoires pour l’alimentation en auraient vite fait leur fonction première. Toutes les mâchoires des vertébrés, y compris la mâchoire humaine, ont évolué à partir du premier plan de la mâchoire du poisson.

La nouvelle étude, publiée dans la revue Avancées scientifiques, étudie comment une structure respiratoire est devenue une structure mordante réussie et quelles contraintes existaient sur ce changement évolutif. Les chercheurs ont collecté des données sur la forme des premières mâchoires fossiles et ont développé des modèles mathématiques pour les caractériser. Ils ont ensuite imaginé la gamme de formes théoriques de mâchoires que les premiers poissons auraient pu exploiter, et les ont analysées dans le modèle afin de les caractériser et de les comparer aux mâchoires fossiles réelles.

Des recherches antérieures avaient identifié que les mâchoires des premiers fossiles de poissons étaient plutôt similaires, montrant peu de la diversification et du rayonnement auxquels les biologistes évolutionnistes auraient pu s’attendre pour une innovation aussi utile. Cependant, lorsque les chercheurs ont testé toutes les différentes formes de mâchoires (à la fois réelles et théoriques) pour leur résistance (probabilité de rupture) et leur vitesse (efficacité avec laquelle elles pouvaient être ouvertes et fermées), ils ont découvert que les mâchoires des premiers poissons représentaient un compromis optimal entre ces deux facteurs. Ils avaient déjà atteint cet état de compromis optimal au début de l’histoire de l’évolution.

Les chercheurs affirment que leurs résultats montrent que de nombreux taxons de poissons ont développé indépendamment des morphologies de mâchoires similaires qui représentent un compromis entre force et vivacité, et que cela témoigne d’une convergence généralisée de la forme de la mâchoire. Étant donné que cette optimalité a été atteinte très tôt dans l’évolution de la mâchoire, ils estiment que cela conforte l’idée selon laquelle les premières mâchoires ont été rapidement adoptées pour une fonction prédatrice, qui aurait nécessité à la fois vitesse et force.

Certains groupes de poissons semblent s’être éloignés de cet équilibre optimal entre force et vitesse au fil du temps, peut-être en raison de leur spécialisation dans des proies plus lentes ou des proies plus petites ou plus faibles. Par exemple, se nourrir de plancton en filtrant l’eau ne nécessiterait pas une force optimale des mâchoires.

« Les mâchoires sont une caractéristique extrêmement importante des gnathostomes – ou mâchoires-bouche. Non seulement ils sont extrêmement répandus, mais presque toutes les créatures qui en possèdent les utilisent de la même manière : pour saisir la nourriture et la transformer. C’est plus que ce que l’on peut dire d’un bras, d’un pied ou d’une queue, qui peuvent être utilisés pour toutes sortes de choses », a déclaré l’auteur principal de l’étude, William Deakin, doctorant à l’Université de Bristol.

« Cela rend les mâchoires extrêmement utiles à quiconque étudie l’évolution de la fonction. Des mâchoires très différentes provenant d’animaux très différents peuvent être testées de la même manière. Ici, nous avons montré que des études sur une grande variété de mâchoires, utilisant la morphologie théorique et des paysages adaptatifs pour capturer leur variété de fonctions, peuvent aider à faire la lumière sur les questions évolutives.

Selon le professeur Philip Donoghue, co-auteur de l’étude, les premiers vertébrés à mâchoires avaient des mâchoires de toutes formes et de toutes tailles, longtemps considérées comme reflétant une adaptation à différentes fonctions. « Notre étude montre que la majeure partie de cette variation était également optimale en termes de force et de vitesse, ce qui en faisait des prédateurs redoutables. »

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Par Alison Bosman, Espèces-menacées.fr Rédacteur