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Convergent function, divergent form: Shared diets do not produce shared adaptive zones in mammalian mandibular evolution

Bien qu'ils partagent des spécialisations alimentaires similaires, les chauves-souris, les carnivores et les primates ont développé des formes mandibulaires et des zones adaptatives distinctes, dictées principalement par leurs histoires phylogénétiques uniques plutôt que par des pressions écologiques convergentes.

Auteurs originaux : Chris Law, Michael Berthaume, Savannah Cobb, Sharlene Santana

Publié 2026-08-05

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Chris Law, Michael Berthaume, Savannah Cobb, Sharlene Santana

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ⚕️ Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez que vous entriez dans une immense bibliothèque ancienne où chaque livre raconte l'histoire d'une famille d'animaux différente. Pendant des décennies, les scientifiques ont été obsédés par une question spécifique : si deux animaux issus de familles complètement différentes finissent par manger exactement la même nourriture, finissent-ils par se ressembler ? Cette idée est appelée « évolution convergente ». Voyez cela comme deux chefs venant de pays différents, qui ne se sont jamais rencontrés, décidant tous deux de préparer un gâteau au chocolat. Si les deux suivent la même recette (le régime alimentaire), on pourrait s'attendre à ce que leurs gâteaux soient identiques en apparence et en goût. Dans le monde animal, cela signifierait qu'une chauve-souris, un loup et un singe, mangeant tous des insectes, devraient finir par développer des mâchoires qui se ressemblent exactement. C'est un récit séduisant car il suggère que la nature possède un plan unique et parfait pour chaque tâche. Mais et si les chefs avaient des fours différents, des outils différents ou des recettes de famille différentes qui les forçaient à cuisiner le gâteau de manières totalement distinctes ? C'est le mystère que ce document cherche à résoudre.

Les chercheurs de cette étude ont décidé de mettre à l'épreuve cette idée du « même régime, même apparence » en utilisant l'outil le plus important pour manger chez les mammifères : la mâchoire inférieure, ou mandibule. Ils ont examiné trois groupes très différents de mammifères : les chiroptères (chauves-souris), les carnivores (comme les loups, les ours et les chats) et les primates (singes, grands singes et nous). Ces trois groupes se sont séparés d'un ancêtre commun il y a plus de 90 millions d'années, ils sont donc aussi différents qu'un oiseau l'est d'un poisson. Pourtant, ils ont tous évolué indépendamment pour manger des choses similaires : certains mangent de la viande, certains mangent des fruits, certains mangent des feuilles et certains mangent des insectes. Les scientifiques se sont posé la question : si une chauve-souris mangeuse de fruits et un singe mangeur de fruits ont le même travail à accomplir, ont-ils construit le même type de mâchoire ?

Pour le découvrir, l'équipe a scanné les formes 3D de 52iles de mandibules d'espèces différentes. Ils ne se sont pas contentés de mesurer la taille des mâchoires ; ils ont utilisé des mathématiques de haute technologie pour cartographier les courbes, les bosses et les angles exacts de chaque os. Ils ont ensuite comparé ces formes aux régimes alimentaires et aux arbres généalogiques des animaux.

Les résultats ont apporté un certain rebondissement. Les scientifiques ont découvert que les régimes alimentaires partagés ne produisent pas des formes de mâchoire partagées. Même si une chauve-souris mangeuse de fruits et un singe mangeur de fruits mangent la même nourriture, leurs mâchoires ne se ressemblent pas du tout. Au lieu de cela, la forme de la mâchoire est principalement déterminée par l'histoire familiale de l'animal. C'est comme si la mâchoire de la chauve-souris était construite comme une longue et fine canne à pêche, tandis que la mâchoire du singe est construite comme un marteau court et robuste. Même si elles essaient toutes deux de casser des fruits, elles utilisent des outils totalement différents. L'étude suggère que ces trois groupes d'animaux vivent dans des « zones adaptatives » différentes — en gros, ils ne jouent pas selon les mêmes règles. La mâchoire d'une chauve-souris est façonnée par le besoin de voler et d'utiliser l'écholocalisation, tandis que la mâchoire d'un primate est façonnée par la façon dont son crâne et son cerveau s'assemblent.

Cependant, l'histoire devient un peu plus intéressante quand on regarde de plus près. Bien que les trois groupes ne se ressemblent pas globalement, les règles au sein de chaque groupe sont différentes. Pour les chauves-souris et les carnivores, le régime alimentaire joue un rôle important dans le façonnage de leur mâchoire. Si une chauve-souris mange des noix dures, sa mâchoire change pour supporter ce stress, tout comme la mâchoire d'un loup change s'il mange de la viande coriace. Mais pour les primates, le régime alimentaire n'a presque aucune importance. Les formes de leurs mâchoires sont davantage dictées par leurs branches familiales spécifiques et leurs comportements — comme les singes hurleurs ayant besoin d'une mâchoire spéciale pour produire leurs appels puissants — plutôt que par ce qu'ils mangent.

En fin de compte, le document suggère que la nature est plus créative que nous ne le pensions. Il n'existe pas un seul « mâchoire parfaite » pour manger des fruits ou de la viande. Au lieu de cela, l'évolution trouve de nombreuses façons de résoudre le même problème. C'est comme dire que, bien que l'on puisse cuire un gâteau dans un micro-ondes, un four ou sur un feu de camp, le produit final peut être différent en apparence et en goût selon l'équipement avec lequel on a commencé. L'étude montre que pour comprendre comment un animal mange, on ne peut pas se contenter de regarder son menu ; il faut aussi regarder son histoire familiale, la taille de son corps et les outils uniques dont il a hérité. La mâchoire est une machine complexe où le régime alimentaire n'est qu'un des nombreux engrenages en mouvement, et parfois, c'est l'histoire familiale qui conduit réellement le moteur.

Résumé technique : Fonction convergente, forme divergente : Les régimes alimentaires partagés ne produisent pas de zones adaptatives partagées dans l'évolution mandibulaire des mammifères

Énoncé du problème
Une question centrale en biologie évolutive est de savoir si des lignées écologiquement convergentes développent indépendamment des morphologies convergentes et occupent des zones adaptatives partagées. Bien que des exemples d'évolution convergente (par exemple, le vol battu, les morphologies trophiques) suggèrent que la sélection peut produire de manière répétée des formes similaires sous des pressions écologiques communes, la contingence historique, les contraintes de développement et l'histoire phylogénétique peuvent au contraire pousser les lignées vers des morphologies distinctes malgré des exigences fonctionnelles similaires. Cette étude examine si des espèces issues de larges échelles taxonomiques partageant des spécialisations alimentaires convergent vers des morphologies mandibulaires communes. Plus précisément, elle teste si les chauves-souris, les carnivores et les primates — trois ordres de mammifères ayant divergé il y a plus de 90 millions d'années mais ayant évolué indépendamment vers des niches alimentaires similaires (par exemple, l'insectivorie, la carnivorie, la frugivorie) — présentent une évolution convergente de la forme et de la taille de la mandibule.

Méthodologie
Les auteurs ont analysé la morphologie mandibulaire à travers 520 espèces (194 chauves-souris, 203 carnivores, 123 primates) représentant 1 417 mandibles.

Acquisition des données : Des scans mandibulaires en trois dimensions ont été obtenus par balayage de surface (EinScan Pro HD), tomographie assistée par ordinateur (CT) ou à partir de jeux de données existants. Les spécimens ont été limités aux individus pleinement matures ; les carnivores entièrement aquatiques (pinnipèdes) ont été exclus en raison de morphologies d'alimentation dérivées.
Morphométrie géométrique : La forme mandibulaire a été quantifiée par morphométrie géométrique 3D, utilisant 13 points de repère (landmarks) et 79 semi-points de repère (semi-landmarks, courbes). Les données ont été superposées par analyse de Procruste généralisée (GPA) avec des semi-points de repère glissants pour minimiser l'énergie de flexion. La taille centroïde a été utilisée comme métrique pour la taille mandibulaire.
Classification alimentaire : Les espèces ont été classées en neuf groupes alimentaires (carnivore, exsudativore, folivore, frugivore, durophage, insectivore, nectarivore, omnivore, piscivore) et deux niveaux trophiques (mangeur d'animaux, mangeur de plantes).
Méthodes comparatives phylogénétiques : Les analyses ont été conduites dans un cadre phylogénétique utilisant un arbre des mammifères élagué selon les espèces échantillonnées. Sept modèles évolutifs ont été ajustés aux cinq premières composantes principales de la forme (8issant de 86,6 % de la variance) et de la taille centroïde :
- Mouvement brownien à taux unique (BM1).
- Ornstein–Uhlenbeck à optimum unique (OU1).
- Modèles OU à multi-optima définis par le régime alimentaire ( $OUM_{diet}$ ), le niveau trophique ( $OUM_{trophic}$ ), l'ordre ( $OUM_{order}$ ), l'ordre au sein du niveau trophique ( $OUM_{order+trophic}$ ), et une approche pilotée par les données détectant des changements sans groupements a priori ( $OUM_{phyloEM}$ ).
Test de convergence : La convergence phénotypique a été évaluée par la métrique de distance $Ct1$ pour déterminer si les lignées focales étaient plus proches dans l'espace morphologique que leurs nœuds ancestraux.
Validation statistique : L'ajustement des modèles a été évalué par les poids d'Akaike corrigés pour les petits échantillons ($AICcW$). Des simulations ont été réalisées pour garantir la puissance nécessaire pour distinguer les modèles complexes du mouvement brownien. Les moindres carrés phylogénétiques généralisés multivariés (mvPGLS) et les PGLS ont été utilisés pour évaluer les effets alimentaires au sein des clades.

Résultats clés

Absence de convergence inter-ordres : Contrairement à la prédiction selon laquelle les régimes alimentaires partagés dictent la convergence, le modèle le mieux soutenu pour la forme et la taille mandibulaires à travers les trois ordres était le modèle $OUM_{phyloEM}$ ($AICcW = 1,00$). Ce modèle a identifié des changements adaptatifs correspondant aux trois ordres (chauves-souris, carnivores et primates) ainsi qu'à la famille des Pteropodidae chez les chauves-souris, plutôt qu'aux niches alimentaires.
- Séparation de l'espace morphologique : Les chauves-souris (hors Pteropodidae), les carnivores et les primates occupent des régions distinctes de l'espace morphologique, particulièrement le long de la PC1. Les chauves-souris présentent une élongation antéro-postérieure et des processus coronoïdes réduits ; les primates présentent des mandibles courtes et robustes avec des condyles élevés ; les carnivores et les Pteropodidae se chevauchent au centre avec des processus coronoïdes hauts.
- Absence de zones adaptatives partagées : Les métriques de convergence basées sur la distance ($Ct1$) n'étaient pas significativement différentes de zéro pour toute comparaison de régime alimentaire entre les ordres. Les espèces partageant les mêmes régimes alimentaires n'ont pas convergé en termes de forme ou de taille globale.
Modes évolutifs spécifiques aux clades :
- Chauves-souris et Carnivores : Au sein de ces clades, le régime alimentaire était le principal moteur de l'évolution de la forme mandibulaire. Le modèle $OUM_{diet}$ était le mieux soutenu pour les deux clades (chauves-sours : $AICcW = 0,98$ ; carnivores : $AICcW = 1,00$). Cependant, un chevauchement significatif de la forme parmi les groupes alimentaires chez les carnivores suggérait une disparité plus grande au sein des groupes alimentaires par rapport aux chauves-souris.
- Primates : En revanche, l'évolution de la forme mandibulaire chez les primates était dictée par l'histoire phylogénétique (changements spécifiques aux clades) plutôt que par le régime alimentaire. Le modèle $OUM_{phyloEM}$ était le mieux soutenu ($AICcW = 1,00$), révélant huit changements adaptatifs le long de branches spécifiques (ex. Tarsiidae, Alouatta, Papionina).
- Évolution de la taille : L'évolution de la taille mandibulaire était largement structurée par la phylogénie dans tous les ordres. Chez les chauves-souris, l'évolution de la taille suivait un modèle de mouvement brownien à taux unique, probablement contraint par la physique du vol et de l'écholocalisation. Chez les carnivores, la taille présentait un soutien mixte, mais le régime alimentaire n'expliquait que 7 % de la variation. Chez les primates, le régime alimentaire influençait la taille (meilleur ajustement $OUM_{diet}$ , $AICcW = 0,63$), les insectivores ayant des mandibles significativement plus petites, mais l'allométrie de la forme ne différait pas de manière significative entre les groupes alimentaires.
Cartographie de type "plusieurs-vers-un" : Malgré l'absence de convergence globale de la forme, des traits fonctionnels spécifiques (ex. position du processus angulaire, avantage mécanique) distinguaient les écologies alimentaires au sein des clades. Cela soutient une cartographie « plusieurs-vers-un » où différentes formes mandibulaires peuvent atteindre des fonctions masticatoires similaires.

Signification et affirmations
L'article affirme que des écologies alimentaires similaires ne nécessitent pas la convergence de la morphologie mandibulaire globale sur de longues échelles de temps évolutives. Au lieu de cela, l'évolution mandibulaire est fortement structurée par l'histoire phylogénétique, les écologies spécifiques aux lignées, la biomécanique et les trajectoires de développement influençant les voies évolutives.

Contrainte et intégration : La divergence des optima mandibulaires suggère que les contraintes historiques et l'intégration crânio-mandibulaire (particulièrement chez les primates) peuvent l'emporter sur la sélection alimentaire dans le façonnement de la mâchoire.
Découplage fonctionnel : Les résultats indiquent que l'adaptation fonctionnelle chez les mammifères peut se produire par l'évolution de composants spécifiques (ex. dents, aspects localisés de la mâchoire) plutôt que par la convergence de la structure entière de la mâchoire.
Prudence méthodologique : L'étude met en garde contre l'extrapolation des relations forme-fonction d'une lignée de mammifères à une autre, car des performances alimentaires équivalentes peuvent résulter de morphologies fondamentalement différentes.
Évolution dentaire vs mandibulaire : Les auteurs suggèrent que les dents, étant l'interface directe avec la nourriture, peuvent être plus évolutivement labiles aux pressions écologiques que la mandibule globale, permettant une spécialisation alimentaire sans convergence mandibulaire.

L'étude conclut que si le régime alimentaire dirige les modes évolutifs au sein de clades spécifiques (chauves-souris et carnivores), il ne produit pas de zones adaptatives partagées entre les ordres, soulignant l'interaction complexe entre l'écologie, la biomécanique et la phylogénie dans la diversification des systèmes d'alimentation.

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