Coupe transversale de l’approche de modélisation du muscle polygonal, guidée par la cicatrisation musculaire et les données de l’IRM. Crédit : Dr. Ashleigh Wiseman
La modélisation numérique des tissus mous d’un fossile légendaire suggère que l’Australopithecus afarensis possédait des jambes et des muscles pelviens puissants adaptés à la vie dans les arbres, mais des muscles du genou qui lui permettaient de marcher en position totalement érigée.
Un chercheur de l’université de Cambridge a reconstitué numériquement pour la première fois les tissus mous manquants d’un premier ancêtre de l’homme – ou hominine – révélant une capacité à se tenir aussi droit que nous le faisons aujourd’hui.
« Les muscles de Lucy suggèrent qu’elle était aussi compétente que nous en matière de bipédie. – Ashleigh Wiseman
Le Dr Ashleigh Wiseman a modélisé en 3D les muscles des jambes et du bassin de l’hominidé Australopithecus afarensis à l’aide de scanners de « Lucy », le célèbre spécimen fossile découvert en Éthiopie au milieu des années 1970.
L’Australopithecus afarensis était une espèce humaine primitive qui vivait en Afrique de l’Est il y a plus de trois millions d’années. Plus petit que nous, avec un visage simiesque et un cerveau plus petit, mais capable de marcher sur deux jambes, il s’est adapté à la fois aux arbres et à la savane, ce qui a permis à l’espèce de survivre pendant près d’un million d’années.
Nommée d’après le classique des Beatles « Lucy in the Sky with Diamonds », Lucy est l’un des exemples les plus complets d’australopithèque jamais mis au jour, avec 40 % de son squelette retrouvé.
Numérisation des zones d’attachement des muscles utilisées pour construire le modèle des muscles de Lucy, à côté du modèle musculaire 3D terminé. Crédit : Dr. Ashleigh Wiseman
Ashleigh Wiseman a pu utiliser les données en libre accès récemment publiées sur le fossile de Lucy pour créer un modèle numérique de la structure musculaire de la partie inférieure du corps de cet homininé vieux de 3,2 millions d’années. L’étude est publiée dans la revue Royal Society Open Science.
La recherche a recréé 36 muscles dans chaque jambe, dont la plupart étaient beaucoup plus grands chez Lucy et occupaient plus d’espace dans les jambes que chez les humains modernes.
Par exemple, les principaux muscles des mollets et des cuisses de Lucy étaient plus de deux fois plus gros que ceux des humains modernes, car nous avons un rapport graisse/muscle beaucoup plus élevé. Les muscles représentaient 74 % de la masse totale de la cuisse de Lucy, contre seulement 50 % chez l’homme.
Un modèle polygonal en 3D, guidé par des données d’imagerie et des cicatrices musculaires, reconstruit les muscles des membres inférieurs du fossile AL 288-1 d’Australopithecus afarensis, connu sous le nom de « Lucy ». Dans ce modèle, les muscles ont été codés par couleur. Crédit : Dr. Ashleigh Wiseman
Les paléoanthropologues s’accordent à dire que Lucy était bipède, mais ne sont pas d’accord sur la façon dont elle marchait. Certains affirment qu’elle se déplaçait en se dandinant, comme les chimpanzés – notre ancêtre commun – lorsqu’ils marchent sur deux jambes. D’autres pensent que sa démarche était plus proche de notre bipédie verticale.
Les recherches menées au cours des 20 dernières années ont permis de dégager un consensus en faveur d’une marche totalement érigée, et les travaux de Wiseman renforcent encore ce consensus. Les muscles extenseurs du genou de Lucy, et l’effet de levier qu’ils permettraient, confirment une capacité à redresser les articulations du genou autant qu’une personne en bonne santé peut le faire aujourd’hui.
« La capacité de Lucy à marcher debout ne peut être connue qu’en reconstruisant la trajectoire et l’espace qu’un muscle occupe dans le corps », a déclaré Wiseman, de l’Institut McDonald de recherche archéologique de l’université de Cambridge.
Vues complètes (ventrale, dorsale, latérale et médiale) de l’approche de modélisation des muscles polygonaux dans AL 288-1, dans lequel 36 muscles ont été créés par membre inférieur. Les muscles polygonaux d’AL 288-1 sont comparés aux muscles 3D de l’homme qui ont été segmentés à partir de données d’IRM. Crédit : Dr. Ashleigh Wiseman
« Nous sommes aujourd’hui le seul animal capable de se tenir debout avec des genoux droits. Les muscles de Lucy suggèrent qu’elle maîtrisait la bipédie aussi bien que nous, tout en étant probablement à l’aise dans les arbres. Lucy a probablement marché et s’est déplacée d’une manière que l’on ne retrouve chez aucune espèce vivante aujourd’hui », a déclaré M. Wiseman.
« Australopithecus afarensis aurait parcouru des zones de prairies boisées ouvertes ainsi que des forêts plus denses en Afrique de l’Est il y a environ 3 à 4 millions d’années. Ces reconstructions des muscles de Lucy suggèrent qu’elle aurait été capable d’exploiter efficacement ces deux habitats. »
Lucy était une jeune adulte qui mesurait un peu plus d’un mètre et pesait probablement environ 28 kg. Le cerveau de Lucy aurait été environ un tiers de la taille du nôtre.
Pour recréer les muscles de cet hominine, Wiseman a commencé par utiliser des humains vivants. En utilisant l’IRM et la tomodensitométrie des structures musculaires et osseuses d’une femme et d’un homme modernes, elle a pu cartographier les « chemins musculaires » et construire un modèle musculo-squelettique numérique.
Wiseman a ensuite utilisé les modèles virtuels existants du squelette de Lucy pour « réarticuler » les articulations, c’est-à-dire reconstituer le squelette. Ce travail a permis de définir l’axe à partir duquel chaque articulation pouvait bouger et tourner, reproduisant ainsi la façon dont elles se déplaçaient pendant la vie.
Enfin, les muscles ont été superposés, en se basant sur les parcours des cartes musculaires de l’homme moderne, ainsi que sur le peu de « cicatrices musculaires » discernables (les traces de connexion musculaire détectables sur les os fossilisés). « Sans la science en libre accès, cette recherche n’aurait pas été possible », a déclaré M. Wiseman.
Ces reconstitutions peuvent désormais aider les scientifiques à comprendre comment cet ancêtre humain marchait. « Les reconstructions musculaires ont déjà été utilisées pour évaluer la vitesse de course d’un T-Rex, par exemple », a déclaré Wiseman. « En appliquant des techniques similaires aux ancêtres de l’homme, nous voulons révéler le spectre des mouvements physiques qui ont propulsé notre évolution, y compris les capacités que nous avons perdues.
Référence : « Three-dimensional volumetric muscle reconstruction of the Australopithecus afarensis pelvis and limb, with estimates of limb leverage » par Ashleigh L. A. Wiseman, 14 juin 2023, Royal Society Open Science.
DOI : 10.1098/rsos.230356