Au cours du Cambrien, qui a débuté il y a environ 540 millions d’années, presque tous les groupes d’animaux modernes — aussi divers que les mollusques et les cordés — sont subitement apparus. Ces premiers animaux marins présentaient une gamme éblouissante de plans corporels et de caractéristiques anatomiques. Pendant plus d’un siècle, les scientifiques ont eu du mal à déterminer leur lien avec la vie d’aujourd’hui, et à comprendre ce qui a nourri l’explosion de l’évolution. De nombreux fossiles récemment excavés des roches canadiennes pourraient lever certains mystères sur cette période, et sur ses liens avec la faune actuelle.

C’est dans un site des Rocheuses canadiennes que Jean-Bernard Caron, conservateur du département des invertébrés au Musée Royal de l’Ontario (Canada), et ses collègues paléontologues ont posé leurs tentes et sorti leurs instruments de fouille. Ce site fossilifère de la période cambrienne regorge de spécimens anciens tous plus étranges les uns que les autres.

Pendant des années, un site tout aussi interdit à environ 40 kilomètres au nord-ouest de cette vallée offrait la fenêtre la plus claire sur le Cambrien. Là-bas, en 1909, le paléontologue américain Charles Doolittle Walcott découvrit les schistes de Burgess, une formation fossile qui préserve non seulement des coquilles dures, mais également des éléments mous tels que les jambes, les yeux et les entrailles de plusieurs espèces cambriennes.

Mais ces dernières années, Caron a montré que la roche fossilifère la plus riche s’étend sur plusieurs kilomètres au-delà du site de Walcott. Les fouilles de cet été marquent sa dernière visite dans ce monde cambrien. Chaque fouille a révélé des animaux inconnus, dont beaucoup ont déjà été décrits dans des articles très médiatisés : un petit poisson parent de Metaspriggina ; le Tokummia à pince ; et les fossiles en forme de cornet de crème glacée appelés hyolithes.

D’autres sites à travers le monde ouvrent également de nouvelles perspectives sur le cambrien. Les scientifiques peuvent désormais explorer cette époque particulière avec toute une gamme de spécimens, ainsi que les résultats de nouvelles technologies d’imagerie et d’études génétiques et développementales sur des organismes vivants.

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« Il y a eu une foule de nouvelles découvertes » déclare Doug Erwin, paléontologue au Musée national d’histoire naturelle du Smithsonian Institute. Les chercheurs pourraient être plus proches que jamais de conférer à ces étranges créatures la place qui leur revient dans l’arbre de la vie — et comprendre l’explosion qui les a engendrés.

fossile cambrien caron

Sur ce cliché, Jean-Bernard Caron montre l’énigmatique fossile cambrien que son équipe et lui ont excavé des Rocheuses canadiennes. Crédits : John Lehmann

Caron a découvert un curieux fossile environ une semaine plus tôt. C’est une carapace intacte, de la taille d’une main, avec une épine centrale, à la manière d’un casque à pointes prussien figé dans un ancien rocher. Une espèce encore non décrite. Les fossiles des schistes de Burgess sont si précieux que le gouvernement canadien garde secrètes les positions exactes des sites de Caron, les surveille avec des caméras et poursuit les pilleurs.

Le ROM a déjà assuré un spécimen de schistes de Burgess pour un demi-million de dollars canadiens lorsqu’il a été prêté — et c’était un animal connu pour ses multiples fossiles. « C’est unique en son genre. Ça va être emblématique » s’exclame Caron. « C’est le fossile le plus extraordinaire que j’ai jamais trouvé ».

Les paléontologues sont venus fouiller le Marble Canyon en 2014. Au moins un animal sur cinq trouvé là bas appartient à une espèce nouvelle pour la science, a conclu l’équipe. Maintenant, ils se sont déplacés vers d’autres sites le long de la vallée. Les relations entre les espèces cambriennes et les animaux d’aujourd’hui ont fait l’objet de débats depuis la découverte des fossiles.

Walcott a classé ses bizarreries dans des groupes connus, notant que certains fossiles de schistes de Burgess, tels que les brachiopodes, ont persisté après le Cambrien, voire dans le présent. Ainsi, par exemple, il a conclu que presque toutes les créatures ressemblant aux arthropodes actuels étaient des crustacés.

Mais plus tard, les paléontologues ont eu d’autres idées. Stephen Jay Gould de l’Université d’Harvard a peut-être mieux capturé l’essence de la vie cambrienne dans son livre de 1989 intitulé Wonderful Life : Les schistes de Burgess et la Nature de l’Histoire, dans lequel il a attiré l’attention sur les « merveilles étranges » extraites de la carrière de Walcott. Gould a affirmé que des étrangetés telles que le bien nommé Hallucigenia, un ver avec des pattes et des épines solides, ne semblent pas avoir de lien avec les animaux ultérieurs.

Il inséra ces formes inhabituelles dans leur propre phyla et affirma qu’elles étaient des expériences oubliées de l’évolution, mises de côté par la suite par des aléas du destin. Les paléontologues contemporains ont choisi une autre façon de les comprendre. Considérez les arthropodes, sans doute les animaux les plus prospères de la Terre. Dans un arbre généalogique, la diffusion de branches récentes aboutissant à des arthropodes vivants — araignées, insectes, crustacés — constitue un groupe « couronne ».

arbre famille arthropodes

Arbre de famille schématique des arthropodes montrant les relations complexes entre les groupes actuels et éteints. Certaines espèces cambriennes éteintes (rouge) pourraient appartenir à des groupes souches ayant composé l’arbre des arthropodes avant les ancêtres communs des groupes vivants. Crédits : N. Desai/Jo Wolfe

Cependant, certains animaux des schistes de Burgess proviennent probablement de « tiges » antérieures, qui se sont ramifiées avant les arthropodes de la couronne. Ces branches de l’arbre n’ont pas de descendants survivants, comme un grand-oncle sans enfant. De ce point de vue, nombre des merveilles étranges de Gould sont des organismes de groupes souches, apparentés aux ancêtres des créatures actuelles, bien qu’ils ne soient pas eux-mêmes des ancêtres.

Les nouveaux fossiles des Rocheuses canadiennes appuient cette opinion. Caron a expliqué en 2015, par exemple, que ses spécimens d’Hallucigenia avaient des caractéristiques suggérant que l’animal appartenait à un groupe de tiges des vers velours, créatures qui rampent encore dans les forêts tropicales et crachent du limon.

C’est le jeu qui caractérise la paléontologie cambrienne : une course à enjeux, parfois litigieuse, qui consiste à trouver des parties diagnostiques de corps sur des fossiles connus ou nouveaux, à présenter des arguments sur les groupes taxinomiques auxquels ils appartiennent et, éventuellement, à réviser l’histoire de l’évolution.

Au cours des dernières années, les paléontologues ont abordé le problème avec un éventail de techniques nouvelles. Celles-ci incluent les microscopes électroniques à balayage, et les tomographies par tomodensitométrie (CT), qui peuvent pénétrer dans les fossiles sans abîmer le matériau. Ces outils ont également mis en lumière une série étonnante de caractéristiques internes : les cerveaux cambriens fossilisés.

Depuis 2011, le paléontologue Xiaoya Ma, actuellement à l’Université d’Exeter au Royaume-Uni, a publié une série de documents retraçant le tissu nerveux dans des fossiles chinois exceptionnellement préservés. Ces architectures du système nerveux offrent un moyen parallèle de classer les animaux en groupes évolutifs, au-delà des structures anatomiques habituelles, et d’autres équipes ont présenté leurs propres spécimens.

Dans les fossiles de la crevette Chengjiangocaris kunmingensis du sud-ouest de la Chine, par exemple, « nous avons cette structure qui ressemble presque à un collier de perles » explique Javier Ortega-Hernández, professeur à Harvard. Son équipe, dirigée par Jie Yang de l’Université du Yunnan à Kunming, en Chine, a fait valoir en 2016 que le collier était un cordon nerveux parsemé de petites grappes de neurones, eux-mêmes poussant de minuscules fibres nerveuses.

Les arthropodes vivants n’ont plus ces fibres. Mais les vers de velours et les vers priapulides d’aujourd’hui font de même, ce qui implique une parenté entre les arthropodes à tige disparue depuis longtemps et ces groupes. Les critiques soutiennent que des paléontologues tels que Ma et Ortega-Hernández surinterprètent certains fossiles, repérant des tissus nerveux absents.

Les critiques disent que bon nombre de ces structures pourraient bien n’être que des halos, des biofilms formés lorsque des microbes ont détruit des parties internes telles que les muscles ou les intestins après la mort. Mais d’autres chercheurs sont convaincus. « Si vous regardez les systèmes nerveux les mieux conservés, il ne fait aucun doute que leurs caractéristiques sont réelles » déclare Graham Budd, paléontologue de l’Université d’Uppsala en Suède et auteur du concept actuel de tige et couronne.

Les incertitudes font que les paléontologues ont toujours soif de spécimens plus récents et de meilleure qualité. « Lorsqu’il y a un débat, vous apportez un nouveau fossile et dites : Regardez, c’est la caractéristique que nous observons » indique Caron. « Sans fossiles, c’est de la spéculation ».

carte canyon marble

Bien que le site du Canyon de Marble (point rouge) soit particulièrement riche en fossiles cambriens, d’autres sites ont été découverts et exploités à travers le monde, permettant de reconstituer l’histoire du vivant. Crédits : N. Desai

D’autres sites ont ouvert des portails sur d’autres étapes du Cambrien. Presque partout, les fossiles conservent des niveaux de détails absents dans la plupart des spécimens issus des autres périodes géologiques. En 2012, Gaines et ses collègues ont proposé une raison : des conditions chimiques uniques ont peut-être imprégné les mers cambriennes.

Une fois que des animaux morts se sont installés dans la boue au fond de la mer, de faibles niveaux de sulfates pourraient avoir ralenti la décomposition par des bactéries qui aiment le soufre, tandis que la chimie alcaline enveloppait les animaux morts dans des couches de carbonate, scellant ainsi les tissus mous à l’intérieur.

À l’été 1984, par exemple, le paléontologue Hou Xian-guang de l’Université du Yunnan a découvert un arthropode luisant dans de l’argile cambrienne, ses pattes semblant encore bouger. Il avait découvert le biote de Chengjiang, une mine de fossiles immaculés qui s’étendait sur une région du sud-ouest de la Chine.

Un peu plus âgés que les schistes de Burgess — environ 518 millions d’années, contre environ 507 millions d’années pour Burgess — ces dépôts présentent des animaux apparentés dans un mode de préservation différent. À la différence des sites de Caron, où les processus géologiques ont presque complètement écrasé les fossiles, les animaux de Chengjiang conservent encore une certaine profondeur.

Depuis 2015, des chercheurs chinois, dont Hou, ont tiré parti de cette expérience en utilisant des tomodensitogrammes pour créer des images 3D des spécimens sans les détruire. Aujourd’hui, trois équipes chinoises rivales, chacune avec des collaborateurs internationaux, se font concurrence pour tirer les nouvelles découvertes du site.

Et de nombreux autres sites existent également, tels que Emu Bay, en Australie, où les paléontologues ont annoncé en 2011 avoir mis au jour des fossiles de radiodontiste révélant leurs yeux complexes et multiformes ; et la formation marocaine Fezouata, rapportée en 2010 par le paléontologue Peter Van Roy de l’Université de Gand, en Belgique. Chaque site offre des perspectives distinctes.

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À 2500 mètres d’altitude, sur les pentes rocheuses du Canyon de Marble, les paléontologues brisent les gaines enfermant les précieux et rares fossiles cambriens. Crédits : John Lehmann

Les échantillons marocains, par exemple, se situent un peu après le Cambrien et montrent un mélange entre les étrangetés caractéristiques du Cambrien et la faune plus familière qui a dominé les périodes ultérieures.  Bien que les animaux spectaculaires continuent de s’extirper des couches géologiques, la portée de l’explosion cambrienne reste un mystère. Les arthropodes, les créatures les plus diverses et les plus connues de l’époque, jonchent les écosystèmes cambriens.

À en juger par les fossiles, des scientifiques ont expliqué que le Cambrien avait assisté à la naissance et à la diversification progressive de nombreux groupes modernes. Une autre approche donne une réponse différente, cependant. Les généticiens utilisent un outil appelé horloges moléculaires pour retracer l’arbre de la vie. En commençant par les différences génétiques entre animaux vivants, qui se sont accumulées à la suite de mutations aléatoires au cours des siècles, les horloges moléculaires peuvent remonter le temps au point où les branches ont divergé.

Selon des études récentes utilisant cette méthode, les animaux modernes ont commencé à se transformer en phylums distincts environ 100 millions d’années avant le Cambrien. La découverte implique que ces groupes ont ensuite passé du temps, discrètement ou inaperçus dans les zones fossiles, avant d’être soudainement mis en évidence.

Les paléontologues ont un ensemble d’indices énigmatiques sur la vie avant l’explosion. Bien avant que les étranges espèces du cambrien aient évolué, un ensemble encore plus étrange d’organismes océaniques a laissé des empreintes gravées sur les roches sédimentaires que l’on voit maintenant en Namibie et en Australie. Les Édiacariens, comme on appelle ces fossiles, narguent les paléontologues avec le même type de défi d’interprétation que les étranges merveilles du Cambrien.

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Fossile de Marella Splendens, un arthropode souche éteint depuis plusieurs centaines de millions d’années. Crédits : John Lehmann

Mais ils sont encore plus étranges. Leurs empreintes suggèrent que certaines ont grandi dans des motifs fractals ; d’autres avaient une symétrie en trois parties. Ils n’ont pas de bouche évidente, de tripes ou d’appendices. La plupart des Édiacariens ont disparu avant les dépôts cambriens, peut-être dans la première extinction de masse du monde. Mais de nombreux chercheurs soupçonnent que certains appartiennent à l’arbre de la vie animale, peut-être au début.

Un Édiacarien, Kimberella, ressemble à un animal : un escargot ou une limace qui broutait au fond de la mer. En août, Stromatoveris, une créature cambrienne ressemblant à une fronde, déjà considérée comme un animal, a été caractérisée comme un survivant d’Édiacarien sur la base de ses branches fractales. Et en septembre, des chercheurs ont annoncé qu’un fossile d’Édiacarien emblématique appelé Dickinsonia contenait des molécules lipidiques ressemblant à celles d’animaux vivants.

Et pourtant, alors même que les Édiacariens chassent les créatures cambriennes de leur perchoir en tant que premiers animaux, la science cambrienne elle-même continue d’évoluer. Caron et d’autres continuent de rechercher des fossiles susceptibles de révéler les relations entre les groupes Édiacariens, cambriens et actuels. D’autres chercheurs ont du mal à expliquer ce qui a provoqué l’explosion des formes animales.

L’oxygène atmosphérique peut avoir augmenté, permettant aux animaux de devenir plus grands, plus forts et plus actifs. L’érosion aurait également pu rejeter du calcium toxique dans les océans, ce qui a incité les organismes à le métaboliser pour créer des squelettes solides. Dans tous les cas, les futures recherches et les nouvelles découvertes qui seront effectuées sur ce site lèveront bien des mystères sur ces périodes les plus reculées de l’histoire de la vie terrestre.

Source : Science Mag

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