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Une Perdrix choukar (Alectoris chukar) est lâchée pour qu'elle escalade une rampe quasi-verticale à l'UM Field Station de Fort Missoula (Minnesota). Contrairement à un oiseau en vol, elle utilise ses ailes d'une façon originale, à la manière de spoilers d'une voiture de sport, qui l'aident à augmenter sa prise au sol Schéma: Ornithomedia.com d'après la Fort Missoula Field Station (Université du Minesota)

La Perdrix choukar (Alectoris chukar) est une espèce plutôt terrestre.
Depuis 2002, l'équipe de Dial Kenneth de l'Université du Montana a lancé un programme de recherches pour comprendre comment les poussins de cette espèce grandissent et apprennent à voler.
Le biologiste a choisi la Perdrix choukar car elle est facile à élever. Il avait aussi remarqué que les petits courent dès leur naissance.
Dial est un morphologiste fonctionnel, c'est-à-dire qu'il étudie la façon dont les animaux sont conçus pour se déplacer. Il travaille à la station de Fort Missoula, une ancienne écurie de la Cavalerie américaine construite en 1907 et transformée en laboratoire ultramoderne.
Son but était avant tout de découvrir comment les poussins de perdrix utilisent leurs ailes encore sous-développées et à quoi elles servent vraiment à leur âge.
A l'aide d'appareils photos numérique réalisant 1 000 clichés par seconde, Dial, son fils et un ami de la famille, Ross Randall, ont mesuré le développement quotidien des oiseaux. Ils ont par exemple placé les poussins au sommet d'une rampe pour qu'ils en descendent en battant des ailes.
Le but de ces recherches était de noter comment quotidiennement les poussins développaient leur capacité à voler verticalement et horizontalement, de l'éclosion à l'âge adulte.

Les petits tricheurs

Puis un jour Dial a eu une grande surprise: à son retour d'un séjour à l'Université d'Harvard, son fils lui a dit que les poussins ne voulaient plus "voler": au lieu de battre des ailes pour grimper au sommet, les poussins semblaient courir, un comportement jamais documenté auparavant. Des appareils photo ultra-rapides ont permis de montrer que les petits oiseaux utilisaient leurs ailes comme le spoiler d'une voiture, à savoir comme d'un élément améliorant leur aérodynamisme et leur prise au sol. Ce comportement a ensuite été constaté chez les poulets, les faisans et beaucoup d'autres oiseaux plutôt coureurs, pour escalader une balle de foin, un rocher, un arbre ou toute autre structure leur permettant d'être à l'abri des prédateurs.

Qu'est-ce qu'un spoiler?

Le spoiler d'une voiture de sport est un aileron servant à augmenter l'adhérence au sol:
- il améliore le coefficient de pénétration dans l'air (Cx) et a pour effet de réduire la force de résistance (ou traînée)
- il limite le risque de décollage de l'avant de la voiture en diminuant la portance (force créée par l'air, perpendiculaire à la route et dirigée du bas vers le haut). En fait, le spoiler ne détruit pas la portance mais crée une portance de sens contraire: une déportance. Cette déportance, ou appui aérodynamique, permet de plaquer la voiture au sol, donc d'améliorer l'adhérence et la traction en améliorant le contact entre le pneu et la route.

Comme des dinosaures à plumes

Quand un poussin de Perdrix choukar (Alectoris chukar) (au premier plan) monte une pente abrupte, il tient ses ailes de façon primitive, très certainement comme ses ancêtres dinosauriens (ici un Caudipteryx) Schéma: Ornithomedia.com d'après Robert Petty

Les appareils-photos ont pu décomposer le mouvement des ailes et ont révélé que les oiseaux se déplaçaient en courant sur la rampe presque verticale au lieu de voler. Dial a appelé ce comportement le "WAIR" (Wing-Assisted Incline Running), une course sur terrain incliné avec l'aide des ailes.
Dial précise: "Nous avons filmé plusieurs expériences avec les différents types de supports et d'angles. Nous avons découvert que quand ils veulent remonter une pente quasi-verticale, les oiseaux n'utilisent pas leurs ailes de la même manière que lorsqu'ils volent: la technique est plus originale, plus primitive et évoque celle sûrement utilisée par leurs ancêtres dinosauriens!".
Analysant la vidéo d'un poussin de trois jours escaladant une rampe inclinée, Dial avait constaté qu'il utilisait déjà la technique WAIR à cet âge. Les expériences similaires conduites chez de grands oiseaux aptères comme les autruches, les nandous et les émeus montrent toutefois qu'ils n'utilisent pas leurs ailes pour remonter une pente. L'utilité de leurs ailes reste une énigme.

Les deux théories actuelles remises en question

Cela fait près de 150 ans que les biologistes essaient d'imaginer comment la capacité à voler est apparue chez les oiseaux:
Il y a ceux qui pensent (c'est le cas de la plupart des ornithologues) que les ancêtres des oiseaux ont développé leurs ailes en grimpant sur les arbres puis en sautant dans le vide et en planant. De nos jours, des serpents, des lézards et des écureuils font ainsi.
Et il y a ceux qui pensent que c'est en courant et en agitant leurs pattes antérieures emplumées que certains dinosaures ont réussi à décoller: c'est le cas des paléontologues, qui mettent en avant les similarités entre les fossiles des dinosaures et l'anatomie des oiseaux actuels.
Dial propose ainsi une alternative: les ancêtres des oiseaux auraient agité leurs "proto-ailes" pour les aider à grimper sur des perchoirs quasi-verticaux pour se mettre à l'abri. Leurs pattes antérieures munies de plumes auraient évolué au niveau anatomique pour leur permettre finalement de voler. Pour Dial, cela explique pourquoi certaines espèces actuelles n'ont toujours pas d'ailes très efficaces: elles n'en n'ont pas besoin pour se mettre à l'abri.
Pour Dial, c'est l'observation de la nature qui permet de comprendre les mécanismes de l'évolution, un peu selon la méthode de Darwin.

Des performances remarquables

Plus tard, les biologistes ont montré que les oiseaux montant en courant le long d'une pente abrupte déplacent leurs ailes différemment de ceux volant : elles bougent de la tête vers l'arrière du corps, tandis que dans les airs elles sont mues du dos vers le ventre. Dial et son étudiant Matt Bundle ont découvert ceci en utilisant des plates-formes de forces (qui permettent l'étude des impulsions lors de mouvements sportifs) sur lesquelles courent les oiseaux, et des accéléromètres installés sur le dos des oiseaux et qui servent à mesurer la contribution de leurs pattes et la poussée de leurs coups d'ailes. Les chercheurs ont découvert aussi que des poussins récemment éclos pouvait escalader des pentes inclinées à 45 degrés ou plus en bougeant leurs proto-ailes. Les adultes pourraient eux grimper sur des surfaces inclinées à 105 degrés! Mais si leurs plumes des ailes sont coupées ou retirées, les performances diminuent.
Dial avait dévoilé l'ensemble de ces résultats en janvier 2003 dans la célèbre revue Science.

L'angle idéal, fondamental

Schéma 1- Les données recueillies par Dial et de son équipe suggèrent que les Perdrix choukars jeunes et adultes tiennent leurs ailes( même non encore fonctionnelles) selon un angle fondamental par rapport au sol. Cet angle, noté pour plusieurs déplacements (volettement, vol en descente et en montée), constitue le fondement d'une nouvelle hypothèse sur la téhorie du vol basée sur le développement de l'aile. Dès l'éclosion, les poussins peuvent franchir une pente à 60° en utilisant leurs quatre membres. Du 8ème jour à l'âge adulte, les oiseaux orientent leurs ailes selon le même angle pour remonter une pente (flèches rouges) ou descendre en parachute (flèches bleues) Les forces aérodynamiques résultantes sont concentrées dans un angle étroit et améliorent la poussée Schéma: Ornithomedia.com d'après la Fort Missoula Field Station (Université du Minesota)

Le 23 janvier 2008, Kenneth Dial et son équipe ont publié dans la revue Nature de nouveaux résultats: ils viennent en effet de comprendre comment les poussins de perdrix un jour après leur naissance réussissaient à escalader des pentes inclinées à 60°, et comment des adultes pouvaient grimper le long de troncs d'arbres: ils placeraient leurs ailes selon un angle optimal par rapport au sol pour générer la force nécessaire à leur déplacement. Les biologistes ont constaté en effet que les adultes et les jeunes orientaient leurs ailes selon le même angle pour effectuer différents types de déplacement, comme le franchissement d'un obstacle escarpé.
Ce résultat constitue une avancée majeure: les petites perdrix utilisent leurs ailes sous-développées pour augmenter leur capacité de déplacement et échapper aux prédateurs. Les implications sont primordiales dans la compréhension de la théorie d'apparition du vol. En effet, la façon selon laquelle de jeunes oiseaux non volants utilisent leurs ailes peut aider à comprendre comment les dinosaures à plumes ont développé leur capacité à voler. Les théories arboricole et terrestre évoquées plus haut dans cet article sont dépassées: ce qui compte, c'est le battement des ailes et leur orientation.

Une concentration efficace des forces aérodynamiques résultantes

De l'éclosion à l'âge adulte, les perdrix utilisent un seul type de battements d'ailes pour certains déplacements, dont l'angle par rapport au sol est quasiment constant (il existe en fait une gamme étroite variation de moins de 20°); combinée à la gravité, cette position concentre les forces aérodynamiques (voir schéma 1) à environ 40° au-dessus de l'horizontale.

Sources

- www.umt.edu/urelations/rview/winter04/flight.htm
- Kenneth P. Dial, Brandon E. Jackson & Paolo Segre: "A fundamental avian wing-stroke provides a new perspective on the evolution of flight", Nature (23 janvier 2008)
- National Géographic: "Running Straight Up: UM Scientist May Have Found Missing Link in Evolution of Flight"

Un excellent livre

Taking Wing: Archaeopteryx and the Evolution of Bird Flight de Pat Shipman.


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