Certaines réactions chimiques dans l’organisme, comme la combustion du sucre pour produire de l’énergie tout en libérant du dioxyde de carbone et de l’eau, sont appelées métabolisme. Ces réactions se déroulent le plus efficacement à une température optimale particulière. Chez les mammifères et les oiseaux, la température optimale est plus élevée que la température extérieure normale. Elle est régulée de façon interne. Ces animaux maintiennent donc des températures corporelles généralement plus élevées et sont appelés » à sang chaud » ou endothermiques, pour le contrôle interne de leur température.
D’autres animaux, tels que les tortues, les crocodiles et les lézards, ont des températures corporelles plus variables en fonction de leur niveau d’activité et régulent leur température corporelle par des sources externes, comme le réchauffement au soleil ou le refroidissement à l’ombre. On dit d’eux qu’ils sont « à sang froid » ou ectothermiques, pour le contrôle de leur température externe.
L’évolution de l’endothermie, autrement dit la thermorégulation par voie métabolique, représente une transition majeure dans l’histoire des vertébrés. Mais la chronologie de cette endothermie chez les oiseaux et les mammifères reste controversée.
L’évolution de l’endothermie du dinosaure à l’oiseau
Dans un nouveau rapport sur les progrès de la science, Enrico L. Rezende et une équipe de chercheurs au Chili ont combiné un modèle de transfert de chaleur avec des données sur la taille du corps des théropodes. Les chercheurs ont ensuite reconstitué l’évolution des taux métaboliques pour les oiseaux. Les résultats suggèrent qu’une réduction de la taille constituait pour l’évolution la voie de moindre résistance de l’endothermie, puisqu’elle maximise l’expansion de la niche thermique tout en réduisant les coûts en besoins énergétiques.
Les chercheurs émettent donc l’hypothèse que le métabolisme aurait augmenté avec la miniaturisation des animaux au cours du Jurassique précoce et moyen, il y a environ 180 millions d’années. Bien que les théropodes aient pu présenter des taux métaboliques plus faibles, les lignées non aviaires plus récentes possédaient sans doute des thermorégulateurs décents avec un métabolisme amélioré. Des transitions évolutives ont ainsi amené à l’émergence de petits dinosaures volants, endothermiques et à plumes.
Comment maintenir sa température corporelle élevée et constante même au repos
L’évolution de l’endothermie chez les oiseaux et les mammifères est une transition importante au cours de l’évolution des vertébrés, fournissant un exemple extraordinaire de convergence évolutionnaire entre les groupes, pivot de leur vaste distribution géographique et de leur succès écologique. Bien que plusieurs groupes d’invertébrés et de vertébrés puissent élever leur température au-dessus de la température ambiante, la capacité de maintenir une température corporelle élevée et constante par la production endogène de chaleur au repos est exclusive aux oiseaux et aux mammifères.
Cette capacité entraîne une plus grande mobilité et une meilleure endurance dans toute une gamme de conditions. Mais elle est coûteuse en énergie et ne laisse pas de trace dans les fossiles, d’où les controverses sur le rythme et le mode d’endothermie au cours de l’évolution des vertébrés.
Pour comprendre l’origine et la raison de l’endothermie au cours de l’évolution des oiseaux et des mammifères, les scientifiques se sont penchés sur deux questions fondamentales.
- Quels sont les coûts et les avantages de cette stratégie par rapport à l’ectothermie ?
- Quelles sont les conditions qui ont favorisé une transition vers l’endothermie ?
Rezende a répondu à ces questions en utilisant un modèle de transfert de chaleur contemporain utilisé pour étudier la thermorégulation. Avec ce modèle, l’endothermie apparaît comme une dépense énergétique indépendante de la masse, avec des bénéfices importants, notamment une plus grande mobilité et une plus grande efficacité dans les domaines suivants :
- recherche de nourriture,
- évitement des prédateurs,
- tolérance à un large éventail de conditions climatiques
- colonisation de nouvelles niches
- taux de croissance accrus
Cette simulation met en évidence une diminution marquée des coûts énergétiques en fonction de la miniaturisation des animaux.
Les deux avantages d’avoir une taille plus petite
Premièrement, les taux métaboliques sont disproportionnellement plus élevés chez les grands ectothermes en raison de leur capacité à maintenir une température corporelle élevée. Plus la taille de départ de l’ancêtre ectothermique est grande, moins la transition vers l’endothermie est coûteuse.
Deuxièmement, pendant la miniaturisation, les animaux de petite taille sont systématiquement favorisés dans leur lignée. La réduction de la taille de la lignée des oiseaux correspond donc à une voie de moindre résistance pour l’évolution de l’endothermie.
L’augmentation du taux métabolique
L’augmentation du taux métabolique s’est étendu sur la majeure partie du Jurassique précoce et moyen, générant l’apparition de protoplumes et de plumes. On observe également des taux métaboliques très divers dans les lignées concurrentes des Coelurosauria, Maniraptora et Paraves, ce qui pourrait expliquer l’émergence et la diversification de ces groupes au cours du Jurassique tardif.
Enrico L. Rezende et ses collègues ont observé 2 phénomènes exceptionnels au cours de l’évolution des oiseaux :
- une miniaturisation soutenue mais pas nécessairement progressive s’étendant sur des millions d’années
- l’émergence de l’endothermie
L’évolution concomitante de l’endothermie avec la diminution de taille des oiseaux suit donc celle des mammifères. Les interprétations indiquent que l’endothermie a précédé l’évolution du vol et que la réduction marquée de la taille du corps des oiseaux s’est accompagnée d’un changement majeur de leurs niveaux métaboliques.
Ce scénario explique pourquoi les théropodes favorisent systématiquement un mode de vie coûteux en énergie (taux de renouvellement de l’énergie plus élevé), et pourquoi on observe leur miniaturisation soutenue avant l’apparition des oiseaux. Au cours de l’évolution, il est raisonnable de s’attendre à ce que les différentes lignées exploitent des niches nouvellement ouvertes et qu’elles se diversifient. L’endothermie a certainement une grande importance dans l’évolution des archosaures, des dinosaures et des oiseaux d’aujourd’hui.
Les dinosaures étaient-ils ectothermiques ou endothermiques ?
Summary
Puisque les oiseaux sont un groupe de dinosaures vivants, nous savons qu’au moins certains dinosaures étaient endothermiques. Mais il est plus difficile de répondre à la question de savoir si tous les dinosaures étaient endothermiques. Une approche pour étudier cette question consiste à examiner la structure microscopique des os. Chez de nombreux animaux ectothermes, l’os se développe en anneaux denses et concentriques, un peu comme les anneaux des arbres. Chez les animaux endothermiques, un système complexe de cavités étroitement espacées, appelé système haversien, imprègne l’os. En coupant les os de dinosaures éteints, non aviaires, en fines tranches et en les examinant au microscope, nous pouvons rechercher ces caractéristiques.
Cependant, de nombreuses complications existent, comme la nécessité de comparer des animaux de taille similaire. Malheureusement, aucun dinosaure vivant n’est aussi grand que le Tyrannosaure et l’Apatosaurus. Chez la plupart des dinosaures non aviaires, la microstructure de l’os ressemble davantage à celle des ectothermes, mais les preuves ne sont pas concluantes. Comme les oiseaux sont endothermiques, il est clair que le « sang chaud » est apparu à un moment ou à un autre lors de l’évolution des dinosaures.
