Morpho-functional study of the pelvic system of birds : new insights on the origin of avian flight

• Auteur / Autrice : Pauline Provini
• Direction : Anick Abourachid, Éric Buffetaut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Frontières du Vivant
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie tridimensionnelle

Membre pelvien

Oiseaux

Phénomènes biomécaniques

Vol animal

Résumé

L'acquisition de vol est une étape importante dans révolution des dinosaures. Deux hypothèses principales sont invoquées pour expliquer son origine, la théorie "arboricole" et la théorie "terrestre". Chacune d'elles est basée sur des interprétations différentes des fonctions du système pelvien (Le. Le bassin et les membres postérieurs) dans un groupe dinosaures saurischiens, appelé théropodes: Dans la théorie terrestre, la propulsion pendant le décollage est fondamentale, alors que dans la théorie arboricole, absorber l'impact lors de l'atterrissage est la principale contrainte. Les analyses biomécaniques du décollage et de l'atterrissage de deux espèces d'oiseaux modernes, le diamant mandarin (Taeniopygia guttata) et la colombe diamant (Geopelia cuneata), ont contribué à mettre en évidence les contraintes mécaniques au cours de ces deux phases fondamentales du vol. L'intégration de données cinématiques sur le centre de masse des oiseaux, de données de forces et de données aérodynamiques, a permis la quantification de la contribution relative des ailes et les pattes pendant le décollage et l'atterrissage. Nos données ont démontré le rôle prépondérant des pattes dans la propulsion pendant le décollage et l'absorption des forces lors de l'atterrissage. Une analyse cinématique plus détaillée, utilisant des méthodes rayons X (XROMM) a révélé l'importance des pattes mais également du tronc pendant les phases de décollage et d'atterrissage. Le tronc se déplace vers l'avant pendant le décollage et vers l'arrière lors de l'atterrissage et est associée avec le fémur, ce qui souligne l'existence de deux systèmes fonctionnels, le tronc et le fémur d'une part, et la partie distale des pattes arrière d'autre part. Le lien fonctionnel entre le fémur et le tronc dans la locomotion des oiseaux modernes, en particulier pendant le décollage et l'atterrissage, nous a incité à analyser les proportions relatives des différentes parties du tronc ainsi que les corrélations entre les proportions du tronc et des segments des membres postérieurs, dans la lignée des théropodes. Des mesures morphologiques ont été obtenues sur des squelettes montés d'oiseaux modernes et sur des reconstitutions paléontologiques de fossiles. La comparaison de ces deux ensembles de données a fourni de nouveaux éléments sur l'évolution du vol et sur les prérequis morphologiques liés à l'origine du vol. Cette étude a fourni des éléments pour en déduire les capacités de fossiles à décoller et atterrir et donc à voler.

The acquisition of flight is an important step in the evolution of dinosaurs. Two classical hypothesis are invoked to explain its origin, the "arboreal" theory and the "cursorial" theory. Each of them is based on different interpretations of the pelvic-system functions (Le. The pelvis and the hindlimbs) in a saurischian dinosaurs group, called theropods: In the cursorial theory, propulsion during take-off is fundamental, whereas in the arboreal theory, dampening the impact during landing is the main constraint. Biomechanical analyses of take-off and landing in two species of modem birds, the zebra finch (Taeniopygia guttata) and the diamond dove (Geopelia cuneata), have helped to highlight the mechanical constraints during those two fundamental phases of flight. The integration of global kinematic data on the birds' center of mass, ground reaction forces, and aerodynamic data, allowed the quantification of the relative contribution of wings and legs during take-off and landing. Our data demonstrated the prominent role of the legs in the propulsion during take-off and the force absorption during landing. A more detailed kinematic analysis, using X-ray methods (XROMM) revealed the importance of not only the legs but also the trunk during both take-off and landing. The trunk is moving forward during take-off and backward during landing and is associated with the femur, highlighting the existence of two functional Systems, the trunk and the femur on the one hand and the distal part of the hindlimbs on the other hand. The functional link between the femur and the trunk in the locomotion of modem birds, especially take-off and landing, prompted us to analyze the relative proportions of the different trunk parts, and the correlations between the trunk and hindlimb segments proportions, among theropods. Morphological measurements were obtained on mounted-skeletons of modem birds and on paleontological reconstructions of fossils. The comparison of these two data sets provides new elements on the evolution of flight and of the morphological requirements for the origin of flight It provided elements to infer the abilities of fossils to take-off and land, hence to fly.