Comment la langue a façonné la vie sur Terre

À deux reprises, le quarterback Patrick Mahomes a mené les Chiefs de Kansas City à la victoire dans le Super Bowl, le summum du football américain. Bien que la plupart des fans aient les yeux rivés sur le ballon alors que Mahomes se prépare à lancer, sa langue fait quelque chose de tout aussi intéressant. Tout comme la star du basket-ball Michael Jordan l'a fait lorsqu'il est monté pour un dunk, et les joueurs de fléchettes le font souvent lorsqu'ils visent un œil de boeuf, Mahomes se prépare à passer en tirant la langue. C'est peut-être plus qu'une bizarrerie idiote, disent certains scientifiques. Ces saillies de la langue peuvent améliorer la précision des mouvements de sa main.

Un groupe restreint mais croissant de chercheurs est fasciné par un organe que nous tenons souvent pour acquis. Nous pensons rarement à quel point notre propre langue doit être agile pour former des mots ou éviter d'être mordu tout en nous aidant à goûter et à avaler de la nourriture. Mais ce n'est que le début de la polyvalence de la langue dans le règne animal. Sans langues, peu ou pas de vertébrés terrestres pourraient exister. Le premier de leurs ancêtres à sortir de l'eau il y a environ 400 millions d'années a trouvé un buffet rempli de nouveaux types d'aliments, mais il a fallu une langue pour les goûter. La gamme d'aliments disponibles pour ces pionniers s'est élargie à mesure que les langues se sont diversifiées dans de nouvelles formes spécialisées - et ont finalement pris des fonctions au-delà de l'alimentation.

"L'incroyable variation de la forme de la langue des vertébrés regorge d'exemples étonnants d'adaptation presque incroyable", déclare Kurt Schwenk, biologiste de l'évolution à l'Université du Connecticut. Les salamandres sortent des langues collantes plus longues que leur corps pour attraper les insectes ; les serpents "sentent" leur environnement avec leurs pointes de langue fourchues ; les colibris aspirant le nectar des fleurs profondément enfouies ; les chauves-souris faisant claquer leur langue pour écholocaliser - toutes montrent comment les langues ont permis aux vertébrés d'exploiter tous les coins et recoins terrestres. Chez l'homme, encore plus de fonctions entassées sur la langue. "Je suis émerveillée par tout ce que nous faisons avec notre langue : manger, parler, embrasser. C'est un élément central de ce que c'est que d'être humain", déclare Jessica Mark Welch, écologiste microbienne à l'Institut Forsyth.

La gestion de ces fonctions a stimulé l'expansion de la capacité cérébrale, ouvrant la voie non seulement aux passes de touché, mais peut-être aussi à la réflexion sur nos pieds. "L'idée est que si vous pouvez atteindre avec votre langue, vous pouvez atteindre avec vos mains et vous pouvez atteindre avec vos pensées", explique Ian Whishaw, neuroscientifique à l'Université de Lethbridge. "Intuitivement, nous le savons peut-être", ajoute-t-il, lorsque nous utilisons des expressions telles que "le bout de la langue", "le lapsus" et "se mordre la langue".

Pourtant, la façon dont les langues sont apparues "est l'un des plus grands mystères de notre histoire évolutive", déclare Sam Van Wassenbergh, morphologue fonctionnel à l'Université d'Anvers. Comme d'autres tissus mous, les langues sont rarement conservées dans les fossiles. Cachés à l'intérieur de la bouche, ils défient l'observation facile. Au cours de la dernière décennie, cependant, de nouvelles technologies ont commencé à révéler des langues en action dans différents groupes d'animaux. Ce travail commence à fournir de nouvelles informations sur les trajectoires évolutives de la langue et sur la manière dont ses spécialisations ont alimenté une diversification supplémentaire. Kory Evans, biologiste de l'évolution à l'Université Rice, affirme que plus les biologistes apprennent, plus ils sont convaincus que "les langues sont vraiment fantastiques".

Une langue s'avère être une chose glissante à définir. Bien que des structures ressemblant à des langues existent chez pratiquement tous les vertébrés, des lamproies aux mammifères, "il n'y a pas de définition claire de ce qui fait une" vraie langue "", explique Daniel Schwarz, biologiste de l'évolution au Musée national d'histoire naturelle de Stuttgart. Nous avons tendance à penser que les langues sont douces, musclées et flexibles, comme la nôtre. La langue humaine est un hydrostat musculaire qui, comme un ballon d'eau, doit conserver le même volume global lorsque sa forme change. Ainsi, lorsque Mahomes tire la langue, elle devient globalement plus fine que lorsqu'elle est simplement regroupée dans sa bouche; il en va de même pour la langue violette d'une girafe lorsqu'elle s'étire sur 46 centimètres pour accrocher les feuilles d'une branche d'arbre épineux.

Mais des cas plus obscurs existent ailleurs dans le règne animal. L'organe palatin des poissons tels que les vairons, les carpes et les poissons-chats peut également être un faisceau de muscles, mais les biologistes sont divisés sur la question de savoir s'il doit être considéré comme une langue. "Au lieu d'être au fond de la bouche, c'est au sommet", explique Patricia Hernandez, morphologue fonctionnelle à l'Université George Washington. Et malgré de nombreuses idées, personne ne connaît vraiment la fonction de cet organe, ajoute Hernandez.

C'est parce que les poissons n'ont pas besoin de langues comme la nôtre pour avaler leur nourriture. Ils peuvent compter sur l'aspiration. Ils ouvrent grand leurs mâchoires, élargissent leur gorge et pompent de l'eau à travers leurs fentes branchiales pour créer des courants qui entraînent la nourriture.

Mais "dès que les animaux sortent la tête de l'eau, l'aspiration devient inutile", explique Schwenk, qui a consacré sa carrière à l'étude des langues animales. Une fois que ces créatures ont touché terre, "elles avaient besoin de quelque chose pour remplacer l'eau" pour attirer des proies dans leur gosier - et l'air n'est pas assez dense. Pendant des millions d'années, les premiers terriens se sont probablement retournés vers l'océan pour avaler des proies accrochées à terre. Quelques-uns ont peut-être gardé la tête haute et laissé la gravité faire le travail, comme beaucoup d'oiseaux aujourd'hui.

Mais les ingrédients d'une nouvelle façon de se nourrir étaient déjà présents dans l'anatomie des poissons : une série d'os courbés appelés arcs branchiaux et les muscles de soutien. Chez les poissons, les arcs branchiaux forment les mâchoires, l'os hyoïde qui soutient l'arrière de la mâchoire et le squelette qui forme la gorge et les fentes branchiales. Lorsque les poissons se nourrissent, les muscles soutenant ces structures génèrent une aspiration en abaissant et en rétractant l'os hyoïde et en élargissant les fentes branchiales pour aspirer l'eau. Pour les spécialistes de la langue, ces mouvements semblent familiers. "Le mouvement de l'hyoïde pour générer une aspiration est très similaire au mouvement de la langue d'avant en arrière pour manipuler les proies", explique Schwenk.

Schwenk et Van Wassenbergh pensent que chez les premiers vertébrés terrestres, les arcs branchiaux et les muscles associés ont commencé à changer pour former une "protolangue", peut-être un coussinet musculaire attaché à l'hyoïde qui battait lorsque l'hyoïde bougeait. Au fil du temps, le pad est devenu plus long et plus contrôlable, et plus apte à saisir et à manœuvrer des proies (voir graphique ci-dessous).

En rendant possible l'ingestion d'aliments sans succion, l'évolution de la langue il y a environ 350 millions d'années a été déterminante pour permettre aux vertébrés de sortir de la mer et de vivre sur terre. Les structures squelettiques utilisées à l'origine pour ouvrir les branchies devaient évoluer vers les os capables de supporter une langue et ses mouvements.

Sur la base d'expériences avec des tritons, Schwarz pense qu'une protolangue est devenue fonctionnelle avant même la transition vers la terre. Comme les autres salamandres, les tritons sont aquatiques lorsqu'ils sont jeunes mais surtout terrestres à l'âge adulte. Leur métamorphose, et le changement des stratégies d'alimentation qui l'accompagne, pourraient s'apparenter aux changements de l'eau à la terre qui se sont produits il y a des centaines de millions d'années. Et cela donne un indice sur la façon dont ces changements auraient pu se dérouler.

Schwarz et son équipe ont découvert qu'avant que les tritons ne se transforment en adultes à part entière, ils développent un appendice en forme de langue qui presse la nourriture contre des "dents" acérées en forme d'aiguilles sur le toit de leur bouche. La découverte, que lui et ses collègues ont rapportée en 2020, suggère qu'une structure semblable à une langue a peut-être aidé les premiers tétrapodes à se nourrir, avant même qu'ils ne grimpent sur un sol solide.

Les exigences de l'alimentation ont peut-être provoqué l'émergence de la langue, mais la sélection naturelle l'a ensuite adaptée et perfectionnée à une multitude d'autres fins, créant parfois "des systèmes spécialisés ridiculement fous", explique Schwenk. Par exemple, les salamandres à doigts palmés (Hydromantes) sortent une langue collante pour attraper des insectes ou d'autres petits arthropodes, tirant tout le squelette de leur gorge par la bouche. Ce mode d'alimentation impliquait de rééquiper les muscles de la gorge, avec un ensemble stockant de l'énergie élastique qui pouvait être instantanément libérée pour tirer la langue, et un autre ensemble rembobinant la langue.

D'autres salamandres, au moins 7600 grenouilles et crapauds, ainsi que des caméléons et d'autres lézards ont développé indépendamment d'autres formes extrêmes de cette alimentation "balistique" à tir rapide. Les caméléons, par exemple, lancent leur langue à près de 5 mètres par seconde, attrapant les grillons en moins de 1/10e de seconde.

L'alimentation balistique a nécessité des adaptations dans les surfaces de la langue et dans la broche qui les recouvre. Une copieuse salive gluante exsudée par des protubérances à peine visibles appelées papilles peut aider à rendre la langue de certaines grenouilles si collante qu'elle peut piéger des proies 50% plus lourdes qu'elles. La salive recouvre les papilles, qui peuvent agir comme de minuscules doigts collants pour aider à saisir les proies, ont rapporté David Hu, chercheur en biomécanique au Georgia Institute of Technology, et ses collègues en 2017.

Les lézards à cornes (Phrynosoma) utilisent des langues recouvertes de salive non seulement pour attraper des proies, mais aussi pour s'en protéger. Les fourmis qu'ils mangent sont de puissants mordeurs et particulièrement venimeux, mais les lézards les avalent vivants. En 2008, Schwenk et Wade Sherbrooke, anciens directeurs de la station de recherche du sud-ouest du Musée américain d'histoire naturelle, ont découvert que d'épaisses cordes de mucus sécrétées par les papilles de la langue et de la gorge neutralisent les proies nocives. Plus récemment, Schwenk a découvert que chez les lézards à cornes, les muscles qui composent généralement les côtés de la langue ne sont attachés qu'à l'arrière. L'évolution a reconfiguré les parties libres des muscles en crêtes le long des côtés de la langue, peut-être pour créer une poche muqueuse pour lier les fourmis avant d'avaler.

Alors que de nombreuses langues de grenouilles et de lézards se sont affinées pour attraper des proies et les faire descendre par l'écoutille, les langues de serpent ont plutôt évolué pour fournir un odorat exquis, une adaptation qui permet aux serpents de détecter et de se faufiler sur des proies éloignées ou cachées. Les différences dans les concentrations d'un odorant détectées par chaque dent de la langue fourchue d'un serpent aident le serpent à rentrer dans une carrière qu'il ne peut pas voir. Aussi stéréotypé que semble être le battement de la langue, il est en fait assez malléable. Les serpents qui traquent leurs proies à la fois dans l'eau et dans l'air, comme le serpent d'eau du nord (Nerodia sipedon), modifient les mouvements de leur langue selon que leur tête est sous l'eau, à la surface ou dans les airs, Schwenk et son ancien étudiant diplômé William Ryerson a publié l'année dernière dans Integrative and Comparative Biology. Ils semblent ajuster le schéma de clignotement pour optimiser la collecte des molécules d'odeur dans différentes conditions.

Après avoir étudié la morphologie, la physiologie et les mouvements de la langue de dizaines d'espèces de reptiles, Schwenk est impressionné par tout ce qu'ils révèlent sur le mode de vie d'un animal. "Si vous me montrez juste la langue, je peux vous en dire énormément", dit-il.

L'évolution de la langue a aidé les reptiles et les amphibiens à capturer des proies animales, mais chez les oiseaux, certaines des adaptations de la langue les plus étranges reflètent un goût pour les plantes. La plupart des langues aviaires sont un ruban rigide de kératine (pensez aux ongles) ou d'os, avec peu de muscle ou d'autres tissus vivants. Ils "sont juste un tapis roulant pour déplacer les aliments d'avant en arrière", explique Schwenk. Mais il y a des exceptions, notamment chez les colibris et autres oiseaux qui se nourrissent de nectar. "La langue est probablement le composant le plus vital pour l'alimentation en nectar des oiseaux", explique David Cuban, étudiant diplômé à l'Université de Washington (UW) qui travaille avec l'écophysicien comportemental Alejandro Rico-Guevara.

Le nectar est plein d'énergie et facile à trouver. Mais chaque fleur n'offre qu'une goutte environ, souvent séquestrée dans une fleur longue et étroite. De nombreux colibris, souimangas et autres groupes d'oiseaux non apparentés mangeurs de nectar font face à ces contraintes en étant petits - généralement moins de 20 grammes - et en ayant de longs becs minces et des langues hautement spécialisées.

Les chercheurs avaient l'habitude de supposer que ces oiseaux comptaient sur l'action capillaire - la tendance d'un liquide à s'écouler dans un tube étroit - pour absorber le nectar. Et certains d'entre eux le font, y compris le méliphage pie (Certhionyx variegatus), l'étudiante de Rico-Guevara Amanda Hewes et ses collaborateurs ont trouvé. Chez cette espèce, la langue a une pointe en forme de pinceau pour ramasser le nectar, qui est ensuite aspiré vers l'intérieur le long de rainures qui s'étendent sur toute la longueur de la langue.

Mais pour les colibris, qui agitent leur langue 15 fois par seconde lorsqu'ils drainent chaque fleur et se déplacent rapidement, l'action capillaire n'est tout simplement pas assez rapide, dit Rico-Guevara. Son équipe a capturé des vidéos à haute vitesse alors que les colibris d'Anna (Calypte anna), les jacobins à col blanc (Florisuga mellivora), les oreilles violettes scintillantes (Colibri coruscans), les coquettes festives (Lophornis chalybeus) et d'autres colibris visitaient des fleurs artificielles transparentes chargées de nectar artificiel. Les films ont révélé que la langue du colibri fonctionne comme une minuscule pompe à nectar.

Deux rainures partent de la pointe à mi-chemin, bordées de franges qui emprisonnent le liquide. Lorsque le bout du bec flexible des oiseaux se ferme, il essore le nectar des franges près de l'avant de la langue, poussant le liquide vers l'intérieur; puis le bec s'ouvre à la base pour aider à déplacer le nectar jusqu'à la bouche, a rapporté l'équipe de Rico-Guevara le 3 avril dans le Journal of Experimental Biology.

Lui et ses collaborateurs ont récemment tourné leur attention vers certains des oiseaux les plus étranges qui se nourrissent de nectar : les perroquets. À 30 centimètres de haut et 100 grammes, le loriquet arc-en-ciel domine la plupart des oiseaux nectarivores et est totalement incapable de planer dans les airs comme un colibri. Il a le bec de perroquet court, robuste et crochu typique et une langue musclée très semblable à la nôtre, tous des traits qui rendent impossible l'aspiration du nectar des fleurs longues et fines. Mais Rico-Guevara et Cuban ont identifié des adaptations qui permettent à ces perroquets d'obtenir des trucs sucrés.

Pour commencer, les oiseaux ciblent des fleurs plus plates et plus ouvertes. Et au lieu de planer, ils atterrissent sur une branche voisine et tordent leur corps autour de la fleur. Ensuite, ils ouvrent leur bec et sortent leur langue, qui subit une transformation étonnante en se prolongeant en fleur. Le bout de la langue dur et rugueux s'ouvre sur un réseau circulaire de fines protubérances, a récemment découvert Rico-Guevara. "Cela ressemble à une anémone, presque", dit-il. Ces saillies fonctionnent comme les poils d'un pinceau pour absorber le nectar.

Dans une expérience, Rico-Guevara a mélangé la solution de nectar de test avec un composé de baryum, une version diluée de ce que les médecins donnent aux patients pour rechercher des obstructions dans le tube digestif, puis a pris des radiographies de l'alimentation du loriquet. Une fois que le bout de la langue est saturé d'une grosse goutte de nectar, il a trouvé que l'oiseau la presse contre le haut de la bouche, pressant le liquide. Ensuite, il ferme son bec, pousse le nectar vers la gorge et répète le processus jusqu'à ce que tout le nectar descende.

Ce n'est pas la seule façon dont les perroquets consomment du nectar. L'année dernière, Cuban a filmé en train de nourrir les plus petits perroquets suspendus, ainsi nommés parce qu'ils dorment à l'envers. Au lieu d'un bout de langue touffu comme celui du loriquet, ces perroquets ont un bout de langue rainuré, et les vidéos de Cuban révèlent qu'ils font vibrer leur langue très rapidement pour pomper de minuscules quantités de nectar vers l'œsophage et dans la gorge.

En décrivant en détail comment ces oiseaux se nourrissent et en calculant l'énergie qu'ils dépensent au cours de ce processus, Cuban, Hewes et Rico-Guevara espèrent découvrir comment leurs stratégies d'alimentation ont pu façonner leur évolution et celle des plantes dont ils se nourrissent. Depuis leur évolution il y a 22 millions d'années, par exemple, les colibris ont influencé la quantité de nectar que leurs plantes partenaires produisent et la profondeur de leurs fleurs, ce qui a à son tour influencé la longueur du bec des colibris, leur empressement à monopoliser les fleurs en chassant leurs concurrents. , et d'autres caractères. C'est une danse coévolutive d'oiseaux et de fleurs, médiée par leur langue.

C'est chez les mammifères, cependant, que la langue affiche sa plus grande polyvalence. La langue des mammifères a évolué en un réseau complexe de fibres musculaires capables de se déplacer de manière complexe même sans os, tendons ou articulations. Il contribue à l'allaitement chez la plupart des espèces, aide à la thermorégulation chez certaines (imaginez un chien haletant) et assume des tâches encore plus spécialisées chez quelques-unes, telles que la production des sons utilisés pour l'écholocation chez les chauves-souris et la parole chez les humains. Et il héberge les papilles gustatives qui aident à guider l'alimentation de toutes ces espèces. "Les langues de la plupart des mammifères accomplissent de grands exploits", dit Hu. "C'est vraiment un outil multifonctionnel, et il a seulement reçu moins d'attention parce qu'il est moins accessible que les appendices externes d'un animal."

Le travail le plus essentiel de la langue chez les mammifères est de positionner les aliments à mâcher et à avaler. Selon l'espèce, cela peut signifier déplacer la nourriture d'un côté à l'autre à chaque bouchée ou la confiner à un seul côté, tandis que la langue elle-même reste en toute sécurité à l'écart des dents qui mordillent. Ensuite, avec l'ajout de salive qu'elle aide à produire, la langue façonne les aliments écrasés en un "bolus" arrondi qui peut s'insérer facilement dans la gorge. Enfin, il repousse ce bolus pour qu'il soit avalé, en s'assurant qu'aucun aliment ne pénètre dans les voies respiratoires. En un sens, la langue est devenue une "main de la bouche", explique JD Laurence-Chasen, biologiste au National Renewable Energy Laboratory.

Tout ce traitement permet aux mammifères de digérer les aliments plus rapidement et plus efficacement, de sorte qu'ils tirent plus de leur alimentation que la plupart des autres animaux. Cette générosité a alimenté d'autres avancées évolutives, telles qu'un taux et une activité métaboliques élevés, des grossesses prolongées et de gros cerveaux. En effet, Callum Ross, biomécanicien et neurobiologiste à l'Université de Chicago, compte l'origine de la mastication comme l'une des trois transitions évolutives à changement de cap permises par la langue, avec le passage de l'eau à la terre et l'origine de la parole humaine.

Jusqu'à récemment, les chercheurs ne pouvaient pas avoir une vue détaillée de la façon dont la langue manœuvrait la nourriture parce que les lèvres, les joues et les dents gênaient. Mais dernièrement, le groupe de Ross a utilisé une technique appelée reconstruction par rayons X de la morphologie en mouvement (XROMM) qui consiste à enregistrer les mouvements de billes implantées chirurgicalement avec des rayons X et à transformer les résultats en animations 3D.

Dans leurs expériences avec des opossums et des singes, les caméras capturent simultanément des images sous différents angles lorsqu'un animal mange ou boit, et l'animation reconstruite permet aux chercheurs de voir comment la langue bouge par rapport aux mâchoires et aux dents. "Nous sommes capables de voir des caractéristiques de mouvement qui étaient complètement cachées", explique Elizabeth Brainerd, morphologue fonctionnelle à l'Université Brown et pionnière du XROMM qui a conseillé Ross sur la façon d'adapter cette technologie à ses études. En comparant les mouvements de la langue chez différentes espèces, les chercheurs espèrent découvrir comment les spécialisations de la langue ont pu contribuer à l'évolution du mode de vie et des préférences alimentaires de chaque animal.

Plus récemment, Laurence-Chasen et Ross ont travaillé avec leur collègue de Chicago Nicho Hatsopoulos et Fritzie Arce-McShane, maintenant neurobiologiste à l'UW, pour combiner l'analyse XROMM avec des enregistrements de l'activité neuronale chez les singes. De telles études, espèrent-ils, révéleront comment le cerveau coordonne les mouvements complexes de la langue impliqués dans l'alimentation, la boisson et peut-être même les vocalisations. Dans une expérience, un réseau d'électrodes surveillait une région corticale de la taille d'un sou située derrière la tempe alors que des singes grignotaient des raisins. Cette région contient à la fois des neurones sensoriels qui reçoivent des informations de la langue et de la bouche et des motoneurones qui renvoient des signaux pour aider à contrôler le mouvement de la langue. L'équipe a découvert que le schéma de déclenchement des motoneurones prédisait avec précision les changements de forme de la langue, ils le rapporteront bientôt dans Nature Communications.

Le travail bouleverse la notion autrefois répandue selon laquelle la mastication, comme la marche, est principalement sous le contrôle du tronc cérébral. Le cortex est également très impliqué, garantissant que la langue "est capable de déformations complexes et asymétriques" qui s'adaptent à la volée aux oursons gommeux, au steak, voire aux milkshakes, explique Laurence-Chasen.

Whishaw se demande si la dextérité de la langue humaine aurait pu aider à ouvrir la voie à notre contrôle précis de nos mains et même de notre esprit. Sa curiosité a été piquée par une découverte inattendue il y a quelques années. Son équipe avait appris aux souris à utiliser leurs pattes au lieu de leur bouche pour ramasser des fruits. Ils ont remarqué que certains animaux tiraient la langue alors qu'ils atteignaient leurs pattes, ont-ils rapporté en 2018.

Dans des études de suivi qui n'ont pas encore été publiées, lui, le neurobiologiste de l'Université Duke Xu An, et leurs collègues ont identifié ce qu'ils appellent la région "oromanuelle" du cortex, une zone jusque-là inexplorée qui exerce un contrôle sur la main et la langue. . Whishaw pense qu'une région cérébrale similaire existe chez les humains et pourrait aider à expliquer pourquoi tant de gens font des gestes pendant qu'ils parlent, pourquoi les enfants qui apprennent à écrire se tordent souvent la langue alors que leurs doigts forment des lettres - un phénomène noté par Charles Darwin - et même pourquoi Mahomes colle son tire la langue avant une passe. Il soupçonne que beaucoup de gens bougent leur langue alors qu'ils sont sur le point d'utiliser leurs mains, mais parce que leur bouche reste fermée, personne n'est plus sage.

Une région cérébrale commune pour la main et la langue a un sens évolutif, dit Whishaw. Chez les premiers animaux terrestres, une langue adroite était essentielle pour se nourrir; plus tard, lorsque certains animaux ont commencé à attraper de la nourriture avec leurs membres, l'évolution a peut-être récupéré le même circuit cérébral guidant la langue pour coordonner les mouvements de la main. Il spécule que des comportements encore plus complexes, tels que la pensée, pourraient provenir de la puissance cérébrale qui a initialement évolué pour coordonner la langue. "Je pense que c'est le centre de notre être, aussi fou que cela puisse paraître."