La reconstruction musculaire 3D révèle que «Lucy», âgée de 3,2 millions d’années, pourrait se tenir aussi droite que les humains modernes

La modélisation numérique des tissus mous du fossile légendaire suggère que l’Australopithecus afarensis avait de puissants muscles des jambes et du bassin adaptés à l’arboriculture, mais des muscles du genou qui permettaient une marche complètement droite.

Un chercheur de l’Université de Cambridge a reconstruit numériquement les tissus mous manquants d’un ancêtre humain précoce – ou hominidé – pour la première fois, révélant une capacité à se tenir aussi droit que nous le faisons aujourd’hui.

Le Dr Ashleigh Wiseman a modélisé en 3D les muscles des jambes et du bassin de l’hominidé Australopithecus afarensis en utilisant des scans de ‘Lucy’ : le célèbre spécimen fossile découvert en Éthiopie au milieu des années 1970.

Australopithecus afarensis était un des premiers humains

” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>species that lived in East Africa over three million years ago. Shorter than us, with an ape-like face and smaller brain, but able to walk on two legs, it adapted to both tree and savannah dwelling – helping the species survive for almost a million years.

Named for the Beatles classic ‘Lucy in the Sky with Diamonds’, Lucy is one of the most complete examples to be unearthed of any type of Australopithecus – with 40% of her skeleton recovered.

A digitization of the muscle attachment areas used to build the model of Lucy’s muscles, next to the completed 3D muscle model. Credit: Dr. Ashleigh Wiseman

Wiseman was able to use recently published open-source data on the Lucy fossil to create a digital model of the 3.2 million-year-old hominin’s lower body muscle structure. The study is published in the journal Royal Society Open Science.

The research recreated 36 muscles in each leg, most of which were much larger in Lucy and occupied greater space in the legs compared to modern humans.

For example, major muscles in Lucy’s calves and thighs were over twice the size of those in modern humans, as we have a much higher fat-to-muscle ratio. Muscles made up 74% of the total mass in Lucy’s thigh, compared to just 50% in humans.

Un modèle polygonal 3D, guidé par des données d’imagerie et des cicatrices musculaires, reconstruit les muscles des membres inférieurs du fossile d’Australopithecus afarensis AL 288-1, connu sous le nom de “Lucy”. Dans ce modèle, les muscles ont été codés par couleur. Crédit : Dr Ashleigh Wiseman

Les paléoanthropologues conviennent que Lucy était bipède, mais ne sont pas d’accord sur la façon dont elle marchait. Certains ont avancé qu’elle se déplaçait en se dandinant accroupie, comme les chimpanzés – notre ancêtre commun – lorsqu’ils marchent sur deux pattes. D’autres pensent que son mouvement était plus proche de notre propre bipédie debout.

La recherche au cours des 20 dernières années a vu un consensus commencer à émerger pour la marche en érection complète, et le travail de Wiseman ajoute encore plus de poids à cela. Les muscles extenseurs du genou de Lucy, et l’effet de levier qu’ils permettraient, confirment une capacité à redresser les articulations du genou autant qu’une personne en bonne santé le peut aujourd’hui.

“La capacité de Lucy à marcher debout ne peut être connue qu’en reconstruisant le chemin et l’espace qu’un muscle occupe dans le corps”, a déclaré Wiseman, du McDonald Institute for Archaeological Research de l’Université de Cambridge.

Vues complètes (ventrale, dorsale, latérale et médiale) de l’approche de modélisation musculaire polygonale dans AL 288-1, dans laquelle 36 muscles ont été créés par membre inférieur. Les muscles polygonaux de l’AL 288-1 sont présentés en comparaison avec les muscles 3D de l’homme qui ont été segmentés à partir des données d’IRM. Crédit : Dr Ashleigh Wiseman

« Nous sommes maintenant le seul animal qui peut se tenir debout avec les genoux droits. Les muscles de Lucy suggèrent qu’elle était aussi compétente en bipédie que nous, tout en étant peut-être aussi à l’aise dans les arbres. Lucy a probablement marché et bougé d’une manière que nous ne voyons chez aucune espèce vivante aujourd’hui », a déclaré Wiseman.

“Australopithecus afarensis aurait parcouru des zones de prairies boisées ouvertes ainsi que des forêts plus denses en Afrique de l’Est il y a environ 3 à 4 millions d’années. Ces reconstructions des muscles de Lucy suggèrent qu’elle aurait pu exploiter efficacement les deux habitats.

Lucy était une jeune adulte, qui mesurait un peu plus d’un mètre et pesait probablement environ 28 kg. Le cerveau de Lucy aurait fait à peu près le tiers de la taille du nôtre.

Pour recréer les muscles de cet hominidé, Wiseman a commencé avec des humains vivants. À l’aide d’IRM et de tomodensitogrammes des structures musculaires et osseuses d’une femme et d’un homme modernes, elle a pu cartographier les «chemins musculaires» et construire un modèle musculo-squelettique numérique.

Un modèle polygonal 3D, guidé par des données d’imagerie et des cicatrices musculaires, reconstruit les muscles des membres inférieurs du fossile d’Australopithecus afarensis AL 288-1, connu sous le nom de “Lucy”. Crédit : Dr Ashleigh Wiseman

Wiseman a ensuite utilisé des modèles virtuels existants du squelette de Lucy pour « réarticuler » les articulations, c’est-à-dire reconstituer le squelette. Ce travail a défini l’axe à partir duquel chaque articulation pouvait se déplacer et tourner, reproduisant la façon dont elles se déplaçaient au cours de la vie.

Enfin, les muscles ont été superposés, sur la base des voies des cartes musculaires humaines modernes, ainsi que du peu de «cicatrices musculaires» discernables (les traces de connexion musculaire détectables sur les os fossilisés). “Sans la science en libre accès, cette recherche n’aurait pas été possible”, a déclaré Wiseman.

Ces reconstructions peuvent maintenant aider les scientifiques à comprendre comment cet ancêtre humain marchait. “Les reconstructions musculaires ont déjà été utilisées pour évaluer les vitesses de course d’un T-Rex, par exemple”, a déclaré Wiseman. “En appliquant des techniques similaires aux humains ancestraux, nous voulons révéler le spectre des mouvements physiques qui ont propulsé notre évolution – y compris les capacités que nous avons perdues.”

Référence : « Reconstruction musculaire volumétrique tridimensionnelle du Australopithecus afarensis pelvis and limb, with estimations of limb lever » par Ashleigh LA Wiseman, 14 juin 2023, Science ouverte de la Société royale.
DOI : 10.1098/rsos.230356