Caractérisation de l'endostructure et des propriétés biomécaniques de la diaphyse fémorale : la signature de la bipédie et la reconstruction des paléo-répertoires posturaux et locomoteurs des hominines

Endostructural characterization and biomechanical properties of the femoral shaft : the signature of bipedalism and the reconstruction of the postural and locomotor paleo-repertoires in hominins

• Auteur / Autrice : Laurent Puymerail
• Direction : Roberto Macchiarelli, François Marchal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la nature et de l'homme. Paléontologie humaine
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris, Muséum national d'histoire naturelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : José Braga
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Bérillon, Paul O'Higgins, Stéphane Peigné
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Brian Richmond, Erik Trinkaus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Anatomie

Fémur

Locomotion

Primates

Homme -- Attitude et mouvement

Hominidés fossiles

Résumé

La reconstruction des modes posturo-locomoteurs des premiers hominines est au coeur des débats paléoanthropologiques. Dans ce cadre, le fémur contient des marqueurs externes, mais également internes, permettant de contribuer à cette problématique. En effet, dans les limites imposées par des contraintes développementales et rhéologiques, l'agencement endostructural des os longs est en adéquation avec les patrons fonctionnels de stress. Ainsi, les variations topographiques d'épaisseur du tissu compact reflètent la nature, la direction, l'intensité et la fréquence des charges biomécaniques. Par conséquent, en prenant en compte les spécificités de nature morpho-structurale et fonctionnelle et les variations de taille, des différences dans les modèles de distribution de l'os cortical le long de la diaphyse fémorale sont attendues en fonction des comportements posturo-locomoteurs. Grâce à des techniques (i) d'analyse des propriétés géométriques de section, (ii) de cartographie morphométrique et (iii) d’analyse par éléments finis appliquées au registre (micro)tomographique d'un échantillon de 63 fémurs de catarrhiniens actuels, nous avons mis en évidence des modèles différents dans la signature endostructurale en relation à la bipédie (Homo), au mode ''knuckle-walking'' (Pan et Gorilla) et à la quadrupédie terrestre (Papio). A titre comparatif et pour validation méthodologique, nous avons aussi considéré la signature d'un brachiateur-suspenseur de grande taille (Pongo), du macaque japonais entraîné à la bipédie (M. Fuscata) et de quatre mammifères carnivores terrestres. Dans la perspective d'apporter des éléments quantitatifs de référence à la reconstruction des paléo-répertoires posturaux et locomoteurs des catarrhiniens, notre protocole analytique a été appliqué à une sélection des diaphyses fémorales d'hominines fossiles (genres Homo et Orrorin). Les résultats confirment la cohérence chrono-spatiale de la signature fonctionnelle du ''groupe locomoteur bipède'' et l'individualité dans l'agencement morpho-structural cortical qui caractérise la diaphyse fémorale de Orrorin par rapport aux hominidés actuels.

The reconstruction of the postural and locomotor modes of early hominins is a widely debated topic in paleoanthropology. With this respect, the femur holds a number of external, but also of internal diagnostic features. In fact, within the limits imposed by a number of developmental and rheological factors, the long bone endostructural arrangement is consistent with the functional patterns of stress, where compact bone topographic thickness variation reflects the nature, direction, intensity, and frequency of the biomechanical loads. Accordingly, when the morpho-structural and functional characteristics and body size variation are taken into account, some differences among the postural- and locomotion-related models of cortical bone distribution along the femoral diaphysis are expected. By applying techniques of (i) cross-sectional geometric properties analysis, (ii) morphometric mapping, and (iii) finite element analysis to a (micro)tomographic record consisting of 63 femurs of extant catarrhines, we have shown patterns of endostructural signature specifically related to bipedalism (Homo), knuckle-walking (Pan and Gorilla), and terrestrial quadrupedalism (Papio). For comparative and methodological purposes, the signatures of a large body-sized brachiator (Pongo), of the bipedally trained Japanese macaque (M. Fuscata), and of four terrestrial carnivorous mammals have also been investigated. With the aim to provide original quantitative evidence to the reconstruction of the postural-locomotor paleorepertoires of catarrhines, we applied our analytical protocol to a selection of femoral shafts of fossil hominins (genera Homo and Orrorin). The results confirm the chrono-spatial consistency of the functional signature associated to the so-called '' bipedal locomotor group'' and point to a distinct morpho-structural cortical organization characterizing the femoral diaphysis of Orrorin with respect to extant hominids.