Qu’est-ce qui a déclenché l’explosion Cambrienne ?

une série de pinacles sombres et escarpés s’élève à 80 mètres au-dessus des plaines herbeuses de Namibie. Les sommets rappellent quelque chose d’ancien – les monticules funéraires des civilisations passées ou les extrémités de vastes pyramides enterrées par les âges.,

Les formations de pierre sont en effet des monuments d’un empire disparu, mais pas de quoi que ce soit taillé par des mains humaines. Ce sont des récifs pinnacle, construits par des cyanobactéries sur le fond marin peu profond il y a 543 millions d’années, à une époque connue sous le nom de période Ediacaran. Le monde antique occupé par ces récifs était vraiment étranger. Les océans contenaient si peu d’oxygène que les poissons modernes s’y fondaient rapidement et y mourraient. Un tapis gluant de microbes couvrait le fond de la mer à l’époque, et sur cette couverture vivait une variété d’animaux énigmatiques dont les corps ressemblaient à de minces oreillers matelassés., La plupart étaient stationnaires, mais quelques-uns serpentaient aveuglément sur la boue, broutant les microbes. La vie animale à ce stade était simple et il n’y avait pas de prédateurs. Mais une tempête évolutive bouleverserait bientôt ce monde tranquille.

en quelques millions d’années, ce simple écosystème disparaîtrait et céderait la place à un monde gouverné par des animaux très mobiles qui arboraient des caractéristiques anatomiques modernes. L’explosion Cambrienne, comme on l’appelle, a produit des arthropodes avec des pattes et des yeux composés, des vers avec des branchies plumeuses et des prédateurs rapides qui pourraient écraser leurs proies dans des mâchoires bordées de dents., Les biologistes se disputent depuis des décennies sur ce qui a déclenché cette explosion évolutive. Certains pensent qu’une forte augmentation de l’oxygène a déclenché le changement, tandis que d’autres disent qu’il est né du développement d’une innovation évolutive clé, telle que vision. La cause précise est restée évasive, en partie parce que l’on sait si peu de choses sur l’environnement physique et chimique à cette époque.

Mais au cours des dernières années, les découvertes ont commencé à donner des indices alléchants sur la fin de L’Ediacaran., Les preuves recueillies sur les récifs namibiens et d’autres sites suggèrent que les théories antérieures étaient trop simplistes-que l’explosion Cambrienne est en fait née d’une interaction complexe entre de petits changements environnementaux qui ont déclenché des développements évolutifs majeurs.

certains scientifiques pensent maintenant qu’une petite augmentation, peut-être temporaire, de l’oxygène a soudainement franchi un seuil écologique, permettant l’émergence de prédateurs. La montée de carnivory aurait déclenché une course aux armements évolutive qui a conduit à l’éclatement des types de corps complexes et des comportements qui remplissent les océans aujourd’hui., ” Il s’agit de l’événement le plus important de l’évolution de la terre », explique Guy Narbonne, paléobiologiste à L’Université Queen à Kingston, au Canada. « L’avènement de la carnivorie omniprésente, rendue possible par l’oxygénation, a probablement été un déclencheur majeur. »

énergie à brûler

dans le monde moderne, il est facile d’oublier que les animaux complexes sont des nouveaux venus sur Terre. Depuis l’apparition de la vie il y a plus de 3 milliards d’années, les organismes unicellulaires ont dominé la planète pendant la majeure partie de son histoire., Prospérant dans des environnements dépourvus d’oxygène, ils s’appuyaient sur des composés tels que le dioxyde de carbone, les molécules contenant du soufre ou les minéraux de fer qui agissent comme des agents oxydants pour décomposer les aliments. Une grande partie de la biosphère microbienne de la Terre survit encore sur ces voies anaérobies.

les Animaux, cependant, dépendent de l’oxygène, beaucoup plus riches façon de vivre. Le processus de métabolisation des aliments en présence d’oxygène libère beaucoup plus d’énergie que la plupart des anaérobies voies., Les animaux comptent sur cette combustion puissante et contrôlée pour stimuler des innovations gourmandes en énergie telles que les muscles, les systèmes nerveux et les outils de défense et les coquilles minéralisées carnivores, les exosquelettes et les dents.

compte tenu de l’importance de l’oxygène pour les animaux, les chercheurs ont soupçonné qu’une augmentation soudaine du gaz à des niveaux presque modernes dans l’océan aurait pu stimuler l’explosion Cambrienne. Pour tester cette idée, ils ont étudié d’anciens sédiments océaniques déposés pendant les périodes de L’Ediacaran et du Cambrien, qui se sont écoulés ensemble il y a environ 635 millions à 485 millions d’années.,

en Namibie, en Chine et dans d’autres endroits du monde, des chercheurs ont collecté des roches qui étaient autrefois d’anciens fonds marins et analysé les quantités de fer, de molybdène et d’autres métaux qu’ils contiennent. Les métaux » solubilité dépend fortement de la quantité d’oxygène présente, donc le type et la quantité de ces métaux dans les anciennes roches sédimentaires reflètent la quantité d’oxygène dans l’eau il y a longtemps, lorsque les sédiments formés.,

Ces proxies semblaient indiquer que les concentrations d’oxygène dans les océans ont augmenté en plusieurs étapes, approchant les concentrations actuelles à la surface de la mer au début du Cambrien, il y a environ 541 millions d’années-juste avant que des animaux plus modernes apparaissent soudainement et se diversifient. Cela a soutenu l’idée de l’oxygène comme déclencheur clé de l’explosion évolutive.

Mais l’année dernière, une étude importante1 portant sur les sédiments anciens du fond marin a remis en question ce point de vue., Erik Sperling, paléontologue à L’Université de Stanford en Californie, a compilé une base de données de 4 700 mesures de fer prises dans des roches du monde entier, couvrant les périodes de L’Ediacaran et du Cambrien. Lui et ses collègues n’ont pas trouvé d’augmentation statistiquement significative de la proportion d’eau oxique à anoxique à la limite entre L’Ediacaran et le Cambrien.

« tout événement d’oxygénation doit avoir été beaucoup, beaucoup plus petit que ce que les gens considéraient normalement”, conclut Sperling. La plupart des gens supposent « que l’événement d’oxygénation a essentiellement élevé l’oxygène à des niveaux essentiellement modernes., Et qui n’était probablement »t le cas”, dit-il.

Les derniers résultats arrivent à un moment où les scientifiques reconsidèrent déjà ce qui se passait pour les niveaux d’oxygène des océans pendant cette période cruciale. Donald Canfield, géobiologiste à L’Université du Danemark du Sud à Odense, doute que l’oxygène soit un facteur limitant pour les premiers animaux. Dans une étude publiée le mois dernier2, lui et ses collègues suggèrent que les niveaux d’oxygène étaient déjà suffisamment élevés pour supporter des animaux simples, tels que les éponges, des centaines de millions d’années avant leur apparition., Les animaux du Cambrien auraient eu besoin de plus d’oxygène que les premières éponges, concède Canfield. « Mais vous n” avez pas besoin d « une augmentation de l”oxygène à travers la frontière Ediacaran/Cambrien, » il dit; l « oxygène pourrait déjà avoir été assez abondant « pendant longtemps, longtemps avant ».

« Le rôle de l’oxygène dans les origines des animaux a été fortement débattu”, explique Timothy Lyons, géobiologiste à L’Université de Californie à Riverside. « En fait, il n » a jamais été aussi débattu qu « il ne l » est maintenant., »Lyons voit un rôle de l’oxygène dans les changements évolutifs, mais son propre travail3 avec le molybdène et d’autres métaux traces suggère que les augmentations de l’oxygène juste avant le Cambrien étaient pour la plupart des pics temporaires qui ont duré quelques millions d’années et ont progressivement augmenté (voir « quand la vie s’est accélérée »).

Moderne miroirs

Sperling a regardé pour un aperçu de Ediacaran des océans par l’étude de l’oxygène appauvri régions moderne mers du monde entier., Il suggère que les biologistes ont classiquement adopté la mauvaise approche pour penser à la façon dont l’oxygène a façonné l’évolution animale. En mettant en commun et en analysant des données publiées précédemment avec certaines des siennes, il a constaté que de minuscules vers survivent dans des zones du fond marin où les niveaux d’oxygène sont incroyablement bas — moins de 0,5% des concentrations moyennes mondiales à la surface de la mer. Les réseaux trophiques dans ces environnements pauvres en oxygène sont simples et les animaux se nourrissent directement de microbes. Dans les endroits où les niveaux d’oxygène du fond de la mer sont un peu plus élevés-environ 0.,5-3% des concentrations à la surface de la mer — les animaux sont plus abondants mais leurs réseaux trophiques restent limités: les animaux se nourrissent encore de microbes plutôt que les uns des autres. Mais quelque part entre 3% et 10% d’oxygène, les prédateurs émergent et commencent à consommer d’autres animaux4.

Les implications de cette découverte pour l’évolution sont profondes, Sperling dit.La modeste augmentation de l’oxygène qu’il pense avoir eu lieu juste avant le Cambrien aurait été suffisante pour déclencher un grand changement., « Si les niveaux d’oxygène étaient de 3% et qu’ils dépassaient ce seuil de 10%, cela aurait eu une énorme influence sur l’évolution précoce des animaux”, dit-il. « Il y a tellement de choses dans l’écologie animale, le mode de vie et la taille du corps qui semblent changer si radicalement à travers ces niveaux. »

l’émergence progressive de prédateurs, entraînée par une petite augmentation de l’oxygène, aurait causé des problèmes aux animaux Ediacarans qui manquaient de défenses évidentes. « Vous regardez des formes à corps mou, principalement immobiles, qui ont probablement vécu leur vie en absorbant les nutriments à travers leur peau”, explique Narbonne.,

Les études de ces anciens récifs namibiens suggèrent que les animaux commençaient effectivement à devenir la proie des prédateurs à la fin de l’Ediacaran. Lorsque la paléobiologiste Rachel Wood de l’Université d’Édimbourg, au Royaume-Uni, a examiné les formations rocheuses, elle a trouvé des endroits où un animal primitif appelé Cloudina avait pris le contrôle de parties du récif microbien. Plutôt que de s’étendre sur le fond de l’océan, ces créatures en forme de cône vivaient dans des colonies surpeuplées, qui cachaient leurs parties vulnérables du corps des prédateurs-une dynamique écologique qui se produit dans les reefs5 modernes.,

Les Cloudina ont été parmi les premiers animaux connus pour avoir développé des exosquelettes durs et minéralisés. Mais ils n’étaient pas seuls. Deux autres types d’animaux dans ces récifs avaient également des parties minéralisées, ce qui suggère que plusieurs groupes non apparentés ont évolué des coquilles squelettiques à la même époque. ” Les squelettes sont très coûteux à produire », explique Wood. « Il est très difficile de trouver une raison autre que la défense pour laquelle un animal devrait prendre la peine de créer un squelette pour lui-même. »Wood pense que les squelettes ont fourni une protection contre les prédateurs nouvellement évolués., Certains fossiles de Cloudina de cette période ont même des trous sur les côtés, que les scientifiques interprètent comme les marques d’attaquants qui portaient dans les coquilles des créatures 6.

les paléontologues ont trouvé d’autres indices que les animaux avaient commencé à se manger les uns les autres à la fin de L’Ediacaran. En Namibie, en Australie et à Terre-Neuve au Canada, certains sédiments du fond de la mer ont conservé un type inhabituel de tunnel formé par une créature inconnue ressemblant à un Ver7. Appelés terriers Treptichnus, ces warrens se ramifient encore et encore, comme si un prédateur juste en dessous du tapis microbien avait systématiquement sondé les proies sur le dessus., Les terriers de Treptichnus ressemblent à ceux des vers priapulidés modernes, ou » pénis », prédateurs voraces qui chassent de manière remarquablement similaire sur les fonds marins modernes8.

la montée de la prédation à cette époque désavantage fortement les grands animaux sédentaires de l’Ediacaran. « Rester assis à ne rien faire devient un passif », dit Narbonne.

le monde en 3D

le moment de la transition de l’Ediacaran au monde Cambrien est enregistré dans une série d’affleurements de Pierre arrondis par d’anciens glaciers à la limite sud de Terre-Neuve., Au-dessous de cette limite se trouvent des impressions laissées par des animaux Ediacaran matelassés, les derniers fossiles de ce type enregistrés sur Terre. Et à seulement 1,2 mètre au — dessus d »eux, le siltstone gris contient des traces de marques d » égratignures, pensé avoir été fait par des animaux avec des exosquelettes, marchant sur des jambes articulées-la première preuve d « arthropodes dans l » histoire de la Terre.

personne ne sait combien de temps s’est écoulé dans ce rocher intermédiaire — peut-être aussi peu que quelques siècles ou millénaires, dit Narbonne., Mais pendant cette courte période, la faune Ediacaran à corps mou et stationnaire a soudainement disparu, poussée à l’extinction par les prédateurs, suggère-t-il.

Narbonne a étudié de près les rares faunes qui ont survécu à cette transition, et ses résultats suggèrent que certaines d’entre elles avaient acquis de nouveaux types de comportement plus complexes. Les meilleurs indices proviennent des traces laissées par des animaux paisibles et vermifuges qui paissaient sur le tapis microbien., Les premiers sentiers datant d’il y a environ 555 millions d’années serpentent et s’entrecroisent au hasard, indiquant un système nerveux peu développé qui était incapable de détecter ou de réagir aux autres brouteurs à proximité-sans parler des prédateurs. Mais à la fin de l’Ediacaran et au début du Cambrien, les sentiers deviennent plus sophistiqués: des créatures sculptent des virages plus serrés et labourent des lignes parallèles et rapprochées à travers les sédiments. Dans certains cas, un sentier d’alimentation sinueux passe brusquement en ligne droite, ce que Narbonne interprète comme une preuve potentielle que le brouteur échappe à un prédateur9.,

ce changement de style de pâturage pourrait avoir contribué à la fragmentation du tapis microbien, qui a commencé au début du Cambrien. Et la transformation des fonds marins, dit Narbonne, « a peut-être été le changement le plus profond de l’histoire de la vie sur Terre”10, 11. Le tapis avait auparavant recouvert le fond marin comme un revêtement de pellicule plastique, laissant les sédiments sous-jacents en grande partie anoxiques et interdits aux animaux. Parce que les animaux ne pouvaient pas s’enfouir profondément dans L’Ediacaran, dit – il,”le tapis signifiait que la vie était bidimensionnelle »., Lorsque les capacités de pâturage se sont améliorées, les animaux ont pénétré dans le tapis et ont rendu les sédiments habitables pour la première fois, ce qui a ouvert un monde 3D.

des traces du Cambrien inférieur montrent que les animaux ont commencé à s’enfouir de plusieurs centimètres dans les sédiments sous le tapis, ce qui leur a permis d’accéder à des nutriments auparavant inexploités — ainsi qu’à un refuge contre les prédateurs. Il est également possible que les animaux sont allés dans la direction opposée., Sperling dit que la nécessité d’éviter les prédateurs (et de poursuivre leurs proies) a peut-être poussé les animaux dans la colonne d’eau au-dessus du fond marin, où l’augmentation des niveaux d’oxygène leur a permis de dépenser de l’énergie en nageant.

Les preuves émergentes sur les seuils d’oxygène et l’écologie pourraient également éclairer une autre question évolutive majeure: quand les animaux sont-ils originaires? Les premiers fossiles incontestés d’animaux n’apparaissent qu’il y a 580 millions d’années, mais les preuves génétiques indiquent que les groupes d’animaux de base remontent à 700 millions à 800 millions d’années., Selon Lyons, la solution pourrait être que les niveaux d’oxygène ont atteint peut-être 2% ou 3% des niveaux modernes il y a environ 800 millions d’années. Ces concentrations auraient pu soutenir petits, animaux simples, tout comme ils le font aujourd »hui dans les zones pauvres en oxygène de l » océan. Mais les animaux à gros corps n’auraient pas pu évoluer jusqu’à ce que les niveaux d’oxygène grimpent plus haut dans L’Ediacaran.

pour comprendre comment l’oxygène a influencé l’apparence d’animaux complexes, les scientifiques devront tirer des indices plus subtils des roches., ” Nous avons mis au défi les personnes travaillant sur les fossiles de lier leurs fossiles plus étroitement à nos proxys d’oxygène », explique Lyons. Il s’agira de déchiffrer les niveaux d’oxygène dans différents environnements anciens et de relier ces valeurs aux types de traits exposés par les fossiles d’animaux trouvés aux mêmes endroits.

L’automne dernier, Woods a visité la Sibérie avec cet objectif en tête. Elle a recueilli des fossiles de Cloudina et D’un autre animal squelettique, Suvorovella, des jours déclinants de L’Ediacaran., Ces sites lui ont donné la chance de recueillir des fossiles de différentes profondeurs de l’océan ancien, des eaux de surface plus riches en oxygène aux zones plus profondes. Wood prévoit de rechercher des modèles dans les endroits où les animaux développaient des squelettes plus durs, s’ils étaient attaqués par des prédateurs et si tout cela avait un lien clair avec les niveaux d’oxygène, dit-elle. « Alors seulement vous pouvez choisir l’histoire.”