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European Synchrotron Radiation Facility

Comment les premiers tétrapodes sont sortis de l’eau

Ce communiqué est disponible en anglais.

Des scientifiques ont pu reconstruire la structure en trois dimensions de la colonne vertébrale des tout premiers animaux à quatre pattes, des tétrapodes d'il y a 360 millions d'années, en utilisant des rayons X très puissants fournis par le synchrotron européen à Grenoble. La qualité exceptionnelle des images obtenues, grâce entre autres à un nouveau protocole d'imagerie, permet de mieux comprendre comment les premiers tétrapodes sont passés d'un milieu aquatique à un environnement terrestre.

L'équipe scientifique était dirigée par Stephanie E. Pierce du Collège vétérinaire royal à Londres et Jennifer A. Clark de l'Université de Cambridge. Cette équipe, internationale, comprenait également des scientifiques de l'Université d'Uppsala (Suède) et de l'ESRF.

Les tétrapodes sont des vertébrés à quatre membres, représentés aujourd'hui par les amphibiens, les reptiles, les oiseaux et les mammifères. Il y a environ 400 millions d'années, les tétrapodes les plus primitifs ont été les premiers vertébrés à s'aventurer dans des eaux peu profondes où ils utilisaient leurs quatre membres pour se déplacer. Les circonstances de ce passage à un nouvel habitat sont l'objet d'âpres discussions entre paléontologues et biologistes de l'évolution.

Tous les poissons et tétrapodes ont une colonne vertébrale. Cette structure osseuse est formée de vertèbres reliées les unes aux autres depuis la tête jusqu'à la queue. Au contraire de la colonne vertébrale des tétrapodes contemporains (comme les hommes, par exemple), dans laquelle chaque vertèbre comprend un seul os, les premiers tétrapodes avaient des vertèbres composées de plusieurs éléments.

« Pendant plus de 100 ans, on a pensé que les tétrapodes avaient des vertèbres composées de trois parties : un os devant, un os dessus et une paire d'os derrière. Mais grâce aux rayons X synchrotron, nous avons découvert que la position des os était en fait inversée », dit Stephanie Pierce, le principal auteur de la publication.

La difficulté principale vient du fait que les fossiles à étudier sont enfouis profondément à l'intérieur d'une roche très dense, qui absorbe la plus grande partie des rayons X. Il a donc fallu développer un protocole permettant d'obtenir un flux de photons suffisamment puissant et pénétrant afin de révéler les détails ultimes des éléments de ce fossile. « Sans ce nouveau protocole, il n'aurait pas été possible de voir les composants des vertèbres en trois dimensions avec une résolution de 30 micromètres », constate Sophie Sanchez de l'Université d'Uppsala qui travaille aussi à l'ESRF, et co-auteur de la publication.

Grâce à ces images en haute résolution, les scientifiques ont découvert que ce qu'on pensait être le premier os – connu sous le nom d'intercentrum – est en réalité le dernier de la série. Bien que cela puisse paraître une petite inversion sans importance, ce ré-arrangement de la structure vertébrale bouleverse la compréhension que nous avons de l'évolution fonctionnelle des tétrapodes.

Stéphanie Pierce explique : « En comprenant comment chacun des os se coordonne avec les autres, nous pouvons commencer à explorer la mobilité de la colonne vertébrale et modéliser le transfert des forces qui s'est opéré au niveau des membres au cours des premiers déplacements terrestres. »

Mais d'autres surprises attendaient les chercheurs. Dans l'un des animaux étudiés – Ichthyostega –, les chercheurs ont trouvé des caractéristiques squelettiques inconnues jusqu'alors, parmi lesquelles une chaîne d'os descendant jusqu'au milieu de la poitrine.

Jennifer Clark précise : « Il semble que ces os au niveau de la poitrine constituent la première apparition, dans l'évolution, d'un sternum corporel. Une telle structure devait renforcer la cage thoracique d'Ichthyostega, lui permettant ainsi de soutenir une partie du poids de son corps au niveau de la poitrine pendant ses mouvements sur terre. »

Cette découverte inattendue renforce les travaux récents de Pierce et Clark, suggérant qu'Ichthyostega se tractait probablement par un mouvement de soutien de ses pattes avant, à la manière d'un phoque ou d'un gobie (poisson des régions (sub-)tropicales pouvant vivre hors de l'eau). Dr Pierce ajoute : « Les résultats de cette étude vont nous obliger à ré-écrire les textes des livres de biologie et évolution décrivant la structure de la colonne vertébrale chez les premiers tétrapodes. »

« A l'ESRF, la mise en place de ce nouveau protocole d'imagerie rendra possible l'étude de fossiles denses enfouis dans la roche. La précision exceptionnelle des images obtenues laisse penser que cette technique permettra de révéler de nouvelles surprises à l'avenir », conclut Sophie Sanchez.

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Référence:

Stephanie E Pierce, Per E Ahlberg, John R Hutchinson, Julia L Molna, Sophie Sanchez, Paul Tafforeau, and Jennifer A Clack: Vertebral architecture in the earliest stem tetrapods, Nature advanced online publication 13 January 2013, DOI: 10.1038/nature11825

Multimédia :

Un classeur zippé avec des images, légendes et une copie de la publication est en ligne à:

Un classeur zippé avec des vidéos et leurs légendes est en ligne à:

Pour une interview avec les scientifiques, merci de prendre contact avec :

Claus Habfast (ESRF)
claus.habfast@esrf.fr
Mobile +33 666 663 284

Rebecca Griffiths (Royal Veterinary College)
rebecca@communicationsmanagement.co.uk
Tel +44 1727 733885, mobile +44 7584 392347



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