La reconstruction d’un écosystème vieux de 2 millions d’années à partir d’ADN ancien dévoile notre futur

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Vue d'artiste de l’écosystème à l’extrême nord du Groenland, il y a 2 millions d'années, à une époque où la température était nettement plus élevée. | Beth Zaiken
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Des fragments microscopiques d’ADN environnemental datant de deux millions d’années ont été trouvés dans les sédiments de la période glaciaire dans le nord du Groenland. Ils ont permis aux chercheurs de reconstituer l’écosystème de l’époque et ouvrent un nouveau chapitre dans l’histoire de l’évolution de notre planète, car cette période ressemble à ce qui nous attend dans le contexte du réchauffement climatique mondial.

Les époques du Pliocène tardif et du Pléistocène précoce, il y a 3,6 à 0,8 millions d’années, avaient des climats ressemblant à ceux prévus dans le cadre d’un réchauffement futur. Près de 40 ans de recherche paléo-environnementale et climatique sur un site au nord du Groenland offrent une perspective unique sur une période où le site était situé dans l’écotone arctique boréal, avec des températures minimales moyennes estivales et hivernales reconstruites de 10 °C et −17 °C respectivement, soit plus de 10 °C de plus qu’actuellement.

Ces conditions auraient entraîné une ablation substantielle de la calotte glaciaire du Groenland, produisant peut-être l’un des derniers intervalles sans glace au cours des 2,4 derniers millions d’années. Mais les communautés biologiques peuplant l’Arctique à cette époque restent mal connues, car les fossiles sont rares.

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Récemment, une équipe internationale, de plus de 40 chercheurs du Danemark, du Royaume-Uni, de France, de Suède, de Norvège, des États-Unis et d’Allemagne, a utilisé de l’ADN environnemental ancien, vieux de deux millions d’années, pour cartographier cet écosystème qui a résisté aux changements climatiques extrêmes. Les fragments ont un million d’années de plus que le précédent enregistrement d’ADN prélevé sur un os de mammouth sibérien.

Les résultats des 41 échantillons utilisables trouvés cachés dans l’argile et le quartz sont publiés aujourd’hui dans la revue Nature. Ils pourraient aider à prédire les conséquences environnementales à long terme du réchauffement climatique actuel.

Obtenir de l’ADN ancien dans les sédiments grâce aux nouvelles techniques d’étude

Les échantillons incomplets, longs de quelques millionièmes de millimètres, ont été prélevés dans la formation de Kap København, un dépôt de sédiments de près de 100 mètres d’épaisseur niché dans l’embouchure d’un fjord de l’océan Arctique, à l’extrême nord du Groenland. Les sédiments se sont accumulés mètre par mètre dans une baie peu profonde. Le sédiment a finalement été préservé dans le pergélisol, sans être contaminé par l’homme pendant deux millions d’années.

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Image des dépôts côtiers. Les couches organiques montrent des traces de la riche flore végétale et de la faune d’insectes qui vivaient il y a deux millions d’années à Kap København, dans le nord du Groenland. © Professeur Svend Funder

Bien que la formation de Kap København soit connue pour produire des macrofossiles bien conservés d’une forêt boréale de conifères et d’une riche faune d’insectes, peu de traces de vertébrés ont été trouvées.

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Restes de branches de bois de la forêt qui poussaient à Kap København il y a deux millions d’années. © Professeur Svend Funder

Afin d’étudier cet ADN environnemental, les chercheurs ont d’abord dû établir s’il y avait bien de l’ADN présent dans l’argile et le quartz, et s’il y en avait, réussir à l’extraire du sédiment pour l’examiner. Ils ont obtenu la plupart de ces échantillons en 2006 lors d’autres travaux. Ils étaient entreposés, attendant que le bon projet se présente, car la mise ne place d’expéditions est coûteuse.

Le géologue Kurt Kjær, de l’Université de Copenhague, explique dans un communiqué : « Ce n’est que lorsqu’une nouvelle génération d’équipements d’extraction et de séquençage de l’ADN a été développée que nous avons pu localiser et identifier des fragments d’ADN extrêmement petits et endommagés dans les échantillons de sédiments ». Il ajoute : « Cela signifiait que nous pouvions enfin cartographier un écosystème vieux de 2 millions d’années ».

Tout un écosystème contenu dans des fragments ADN

Ensuite, les chercheurs ont comparé chaque fragment d’ADN avec de vastes bibliothèques d’ADN provenant d’animaux, de plantes et de micro-organismes actuels. Une image a commencé à émerger de l’ADN des arbres, des buissons, des oiseaux, des animaux et des micro-organismes. Plus précisément, l’enregistrement ADN confirme la présence des lièvres, des mastodontes, des rennes, des rongeurs et des oies. La présence d’espèces marines dont le crabe fer à cheval et les algues vertes favorisent un climat plus chaud qu’aujourd’hui. L’écosystème reconstruit n’a pas d’analogue moderne.

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Profils taxonomiques (a) de l’écosystème reconstitué à partir des échantillons. Les taxons en gras sont des genres trouvés uniquement sous forme d’ADN. Mise en parallèle (b) avec les espèces contemporaines. © K. Kjær et al., 2022

Certains des fragments d’ADN étaient faciles à classer comme prédécesseurs des espèces actuelles, d’autres ne pouvaient être liés qu’au niveau du genre, et certains provenaient d’espèces impossibles à placer dans les bibliothèques d’ADN d’animaux, de plantes et de micro-organismes vivant encore au XXIe siècle.

Les échantillons, vieux de deux millions d’années, aident également les universitaires à se faire une idée d’une étape jusque-là inconnue dans l’évolution de l’ADN d’une gamme d’espèces encore existantes aujourd’hui.

En examinant l’ancien ADN de la formation de Kap København, les chercheurs ont également trouvé l’ADN d’un large éventail de micro-organismes, y compris des bactéries et des champignons, qu’ils continuent de cartographier. Une description détaillée de la façon dont l’interaction — entre les animaux, les plantes et les organismes unicellulaires — au sein de l’ancien écosystème au point le plus au nord du Groenland fonctionnait biologiquement sera présentée dans un futur document de recherche.

Un risque d’extinction avéré, mais un espoir qui persiste

L’un des enjeux de cette recherche, outre la nouvelle capacité à détecter de l’ADN dans des échantillons extrêmement dégradés, est de savoir dans quelle mesure les espèces auront la capacité de s’adapter au changement climatique extrême induit par l’augmentation significative de la température. Les données laissent entrevoir que les espèces capables de telles évolutions sont bien plus nombreuses que prévu.

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Malheureusement, le professeur adjoint Mikkel Pedersen du Centre de géo-génétique de la Fondation Lundbeck et co-premier auteur, déclare que : « ces résultats montrent qu’ils ont besoin de temps pour le faire. La vitesse du réchauffement climatique d’aujourd’hui signifie que les organismes et les espèces n’ont pas ce temps, de sorte que l’urgence climatique reste une menace énorme pour la biodiversité et le monde — l’extinction est à l’horizon pour certaines espèces, y compris les plantes et les arbres ».

Les scientifiques espèrent maintenant que certaines des « astuces » de l’ADN végétal découvert il y a deux millions d’années pourront être utilisées pour aider à rendre certaines espèces menacées plus résistantes au réchauffement climatique. Kurt Kjær explique : « Il est possible que le génie génétique puisse imiter la stratégie développée par les plantes et les arbres il y a deux millions d’années pour survivre dans un climat caractérisé par la hausse des températures et empêcher l’extinction de certaines espèces, plantes et arbres ».

C’est pourquoi les résultats de cette étude sont d’une importance capitale et représentent une avancée significative dans notre combat contre les conséquences dramatiques du réchauffement climatique.

Source : Nature

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