L’eau, un moteur de l’évolution : exemple des serpents aquatiques

Water as a driver of evolution : the example of aquatic snakes

• Auteur / Autrice : Marion Segall
• Direction : Anthony Herrel, Ramiro Godoy Diana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interdisciplinaire
• Date : Soutenance le 10/11/2017
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Descartes (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mécanismes adaptatifs : des organismes aux communautés / MECADEV
• Jury : Président / Présidente : Patricia Ern
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anthony Herrel, Ramiro Godoy Diana, Patricia Ern, Harvey B. Lillywhite, Sam van Wassenbergh, Catherine Quilliet, Raphaël Cornette
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patricia Ern, Harvey B. Lillywhite

Mots clés

Mots clés contrôlés

Morphologie (biologie)

Hydrodynamique

Effets de l'eau

Serpents

Mots clés libres

Retour à la vie aquatique

Contraintes hydrodynamiques

Pression de sélection

Serpents

Morphologie

Capture de proie

Secondary adaptation

Hydrodynamics

Selective pressure

Snakes

Morphology

Prey capture

Behavior

Résumé

L’environnement dans lequel les espèces animales vivent joue un rôle important dans leur évolution. Les contraintes physiques sont particulièrement intéressantes car elles induisent souvent une pression évolutive qui pousse les espèces, même éloignées, à développer des réponses adaptatives similaires. Les contraintes physiques liées à la vie en milieu aquatique ont un impact important sur les trajectoires évolutives des espèces et notamment sur leur comportement et leur morphologie. De nombreux cas de convergences ont été démontrés, comme l’évolution d’une forme profilée chez les poissons, les mammifères marins et certains oiseaux aquatiques. Ces contraintes, appelées contraintes hydrodynamiques, sont particulièrement présentes lors de la réalisation d’un mouvement. On peut caractériser deux contraintes principales : la trainée et la masse ajoutée. La trainée est la résistance que le fluide oppose au mouvement de l’animal. La masse ajoutée elle, est la masse d’eau déplacée lorsque le corps se met en mouvement donc lors d’une accélération. Ces contraintes sont particulièrement présentes lors de la capture d’une proie dans l’eau. Ainsi, beaucoup d’animaux aquatiques ont développé un système de succion qui leur permet d’aspirer leur proie afin de limiter ces contraintes. Cependant, certains animaux, comme les serpents, ne peuvent pas développer ce type d’adaptation. Pourtant, plus de 200 espèces de serpents attrapent des proies dans l’eau. A travers ce travail, nous nous intéressons aux stratégies adaptatives développées par les serpents aquatiques afin de devenir de performants prédateurs. Deux hypothèses sont explorées : l’adaptation morphologique de la tête des serpents ainsi qu’une adaptation comportementale qui permettraient de réduire les contraintes hydrodynamiques. Des analyses morphologique et comportementale sont réalisées sur plusieurs espèces de serpents aquatiques afin de tester ces hypothèses. Les contraintes associées aux différentes formes de tête et comportements mis en évidence sont caractérisées à l’aide d’expériences d’hydrodynamique. L’interdisciplinarité qui est le cœur de ce manuscrit permet d’apporter un regard nouveau sur ces questions qui intriguent tant les biologistes que les physiciens.

Animal-environment interactions are determinant in driving the evolution of phenotypic variation. Most aquatic animals have developed adaptations to overcome the physical constraints inherent to an aquatic lifestyle and particularly to motion in water. These constraints are the drag and the added mass if an acceleration is involved in the motion, such as during prey capture. The aim of this project is to evaluate the role of water as a potential driver of evolution of aquatic snakes by focusing on morphological and behavioral convergences during underwater prey capture. Snakes are a good model as an aquatic life-style has originated independently in different genera. However, aquatic snakes did not develop a suction feeding system in contrast to most aquatic vertebrates. Prey-capture under water is constrained by the physical properties of the fluid and thus morphological and/or behavioral convergence is expected. By comparing the head shapes and the behavior of different species, we evaluated the impact of water on the evolution of head shape and strike behavior. By using experimental fluid mechanics approaches, we quantified the physical constraints involved in prey capture and evaluated the nature of the evolutionary response in response to these hydrodynamic constraints. This interdisciplinary approach allowed us to bring novel data to our understanding of functional constraints as drivers of phenotypic evolution.