Nouvel aperçu de la cinématique de nage des tortues vertes sauvages (Chelonia mydas)

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18151 (2022) Citer cet article

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Biomécaniquement, les tortues marines pourraient être perçues comme des oiseaux de l'océan car elles glissent et battent leurs membres antérieurs pour produire les forces nécessaires à la locomotion, faisant des tortues marines un animal intéressant à étudier. Cependant, le fait qu'elle soit une espèce menacée fait de l'étude de la biomécanique de la tortue marine un problème complexe à résoudre, tant sur le plan technique qu'éthique, sans provoquer de perturbations. Ce travail développe une nouvelle procédure non invasive pour développer une cinématique tridimensionnelle complète pour les tortues marines sauvages en filmant les animaux de la Grande Barrière de corail australienne à l'aide de drones sous-marins sans les déranger. Nous avons constaté que les animaux sauvages avaient des schémas de nage très différents de ceux des études précédentes sur les juvéniles en captivité. Nos résultats montrent que la nageoire suit une trajectoire en boucle fermée avec un balayage étendu de la pointe de la nageoire vers le centre de la carapace pour créer un mouvement d'applaudissements. Nous avons appelé cela la « course de balayage » et contrairement aux modèles à quatre étapes décrits précédemment, cela crée un modèle de locomotion de nage en cinq étapes. Le modèle présenté ici pourrait conduire à une meilleure compréhension des méthodes de propulsion des tortues marines et de leur interaction fluide-structure.

La biomécanique locomotrice des tortues marines partage des similitudes avec celle des oiseaux, étant donné qu'elles glissent et battent leurs membres antérieurs pour produire les forces nécessaires à la locomotion. En fait, dans des études récentes, des analyses phylogénomiques ont montré que les tortues constituent le groupe frère des oiseaux1. Cependant, contrairement aux oiseaux qui ont besoin de génération de portance pour rester dans les airs, les tortues marines peuvent ajuster leur flottabilité pour devenir presque entièrement neutre2. Ainsi, la génération de portance n’est pas entièrement nécessaire puisque leur force de poussée peut être suffisante. Il a été démontré que la poussée vers l'avant générée par les tortues pour nager se produit presque entièrement pendant la course descendante, à l'aide de leurs palmes cambrées en forme de voilure 3,4. La course descendante a déjà été décrite comme deux fois plus rapide que la course ascendante, produisant généralement un motif en huit3,4,5,6. Des recherches antérieures ont généralement montré que les tortues marines appliquent un angle d'attaque (AOA) à leurs nageoires pectorales3,4 afin que l'animal puisse générer les charges hydrodynamiques nécessaires à la nage. Cependant, cela n’est pas tout à fait exact car le flipper génère une AOA variable sur toute son envergure via la torsion du membre antérieur.

Les tortues marines sont des espèces migratrices qui parcourent de bout en bout des milliers de kilomètres7,8,9. Avoir une représentation mathématique de leur locomotion de nage aiderait grandement à déterminer si le style de nage des tortues marines est ou non un facteur dans leur succès migratoire. Des études antérieures ont appliqué des modèles bidimensionnels simplifiés de styles de nage inspirés des tortues10,11,12. Cependant, les caractéristiques hydrodynamiques qui influencent la propulsion dépendent fortement de la cinématique13,14,15, ce qui suggère que même si les recherches effectuées à ce jour fournissent une approche rudimentaire pour aider à décrire le mécanisme de propulsion, elles ne contiennent pas tous les facteurs associés. Diverses études ont illustré la locomotion naturelle des tortues marines3,4,16,17,18,19,20. Cependant, ces études ont souvent collecté des données sur de jeunes juvéniles détenus en captivité sans décrire les tendances sous forme mathématique. Par conséquent, la description de la nage naturelle des tortues de mer sauvages est encore inconnue, tout comme la compréhension de leur différence avec un juvénile en captivité.

Développer un modèle mathématique pour décrire les schémas naturels des nageoires de la tortue est extrêmement complexe pour plusieurs raisons. Parmi les difficultés, la plus complexe vient de la collecte de données au sein de leur habitat naturel pour s'assurer que leur environnement n'impose pas un schéma de nage anormal. Les techniques de pointe actuelles, telles que la reconstruction par rayons X de la morphologie en mouvement (XROMM)21,22, nécessitent une configuration unique qui serait peu pratique, voire impossible, à mettre en place dans un environnement marin. Non seulement de telles techniques sont peu pratiques, mais obtenir l’approbation de l’éthique animale pour placer une espèce en voie de disparition dans un laboratoire afin d’étudier sa biomécanique crée des obstacles supplémentaires.