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Le chaînon manquant de l'évolution
John Grotzinger a consacré sa carrière à résoudre l'un des mystères les plus controversés de la biologie évolutive - ce qui s'est passé il y a des centaines de millions d'années pour provoquer l'éclatement spontané de la vie qui a engendré les premiers ancêtres de tous les animaux sur terre aujourd'hui. Il est retourné au MIT en janvier 2002 après une année passée au Moyen-Orient, où il a collecté des roches contenant des fossiles datant de cette soi-disant explosion cambrienne. Sur la base de ces fossiles, Grotzinger, sédimentologue au Département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes de l'Institut, pense avoir trouvé la réponse.
Selon les archives fossiles, la vie sur terre est apparue il y a 3,5 milliards d'années sous la forme de minuscules bactéries photosynthétiques. Pendant près de trois milliards d'années, la planète était dépourvue de tout ce qui était plus gros que des bactéries, du plancton et des algues microscopiques. Puis soudain, il y a environ 540 millions d'années, dans les profondeurs sombres de l'océan, une riche communauté de minuscules animaux a vu le jour. Des longs vers épineux aux créatures à cinq yeux avec des tuyaux de préhension pour la bouche, ils ont complètement transformé le fond de l'océan il y a environ 10 millions d'années, en un clin d'œil au temps de l'évolution. Ce furent les premiers représentants de pratiquement tous les principaux groupes d'animaux sur terre aujourd'hui et peut-être encore d'autres groupes qui ont disparu il y a longtemps.
Les scientifiques ont proposé diverses explications pour l'explosion cambrienne. Selon une théorie, l'apparition de prédateurs aurait déclenché une période d'évolution rapide : les premiers animaux de proie, dans leur lutte pour s'adapter, ont acquis des mécanismes de défense tels que des carapaces dures. Une autre possibilité est que l'augmentation de l'oxygène atmosphérique ait alimenté l'évolution de structures corporelles plus complexes : l'oxygène est une condition requise pour le développement et la croissance du squelette. Pour clarifier ce qui s'est réellement passé, Grotzinger s'est rendu à Oman en janvier 2001 pour rechercher des fossiles dans des roches extraites de gisements de pétrole à cinq kilomètres sous terre. L'avantage de ces fossiles est qu'ils sont très bien conservés, dit Grotzinger.
Lorsqu'il a rapporté ses échantillons de roche au MIT pour analyse, Grotzinger a été stupéfait par ce qu'il a vu. Avec deux de ses collègues, le géochronologue Sam Bowring et le géobiologiste Roger Summons, il a reconstitué en trois dimensions à quoi aurait ressemblé le bassin océanique avant la période cambrienne, la période géologique au cours de laquelle l'explosion de la vie s'est produite. Les fossiles contenus dans les roches indiquaient qu'avant la période cambrienne, les récifs océaniques abritaient les premiers prototypes d'animaux à carapace molle. Cloudina , une créature semblable à un ver, et Namacalathus , un petit animal en forme de coupe de vin. Une fois la période cambrienne commencée, cependant, ces organismes ont tout simplement disparu.
En étudiant les isotopes du carbone dans la roche, Grotzinger et Bowring ont déterminé que juste avant le début de la période cambrienne, une catastrophe environnementale majeure s'est produite : les océans ont soudainement cessé de circuler. Cet événement a conduit à l'extinction massive de ces premiers animaux, peut-être à cause d'une augmentation des gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone et le méthane, libérés des océans au moment où les océans ont recommencé à circuler. La disparition des premiers animaux, soutient Grotzinger, a nettoyé le terrain de jeu et a permis à un nouveau groupe d'animaux plus diversifié et mieux adapté d'émerger.
Ce n'était pas le résultat que Grotzinger pensait trouver. Notre théorie initiale était que l'apparition de toute la faune cambrienne diversifiée était davantage le résultat de l'invention des coquilles dures, qui ont permis à ces organismes d'être soudainement préservés dans les archives fossiles, dit-il. Je ne savais pas que nous allions inventer une histoire d'extinction.
Au début des années 90, Grotzinger avait découvert des fossiles précambriens de Cloudina et Namacalathus en Namibie. Mais les archives fossiles à la frontière entre le Précambrien et le Cambrien sont mal conservées, et le sort des premières créatures est resté une énigme. Grotzinger a supposé qu'ils n'étaient que des animaux de transition entre les tout premiers animaux prototypes et la faune cambrienne diversifiée. Mais sur la base de ses données d'Oman, il pense que c'est l'extinction des premiers animaux qui a stimulé l'explosion cambrienne. C'est une belle histoire, mais à l'opposé de ce à quoi je m'attendais, dit-il.
La découverte de Grotzinger est vraiment une arme fumante, déclare Andrew Knoll, un biologiste évolutionniste de l'Université Harvard qui, il y a quelques années, a été parmi les premiers à proposer une théorie de l'extinction pour expliquer l'explosion cambrienne. Et bien que Knoll et de nombreux autres scientifiques aient trouvé des preuves d'un changement environnemental majeur à la limite précambrien-cambrien, aucun n'a été en mesure de corréler l'événement directement avec la disparition des premiers animaux prototypes. Les nouvelles données d'Oman relient ces deux événements pour la première fois, faisant de la théorie de l'extinction, selon Grotzinger, un véritable échec.
Les nouvelles preuves sont également cohérentes avec les schémas d'autres extinctions majeures dans l'histoire de l'évolution animale. Par exemple, les dinosaures et les mammifères ont coexisté il y a 150 millions d'années. Cependant, pendant tout ce temps, les mammifères ne sont jamais sortis de la sorte de boîte écologique dans laquelle ils étaient confinés par les dinosaures, explique Knoll. Au lieu de cela, ils sont restés de petites choses ressemblant à des rats qui voltigent dans les arbres. Cependant, une théorie de premier plan soutient maintenant que lorsqu'un météore a frappé la terre il y a 65 millions d'années, anéantissant les dinosaures, les mammifères ont survécu. Dans ce nouvel environnement ouvert, ils ont rapidement évolué, se sont agrandis et ont rempli des niches écologiques vides. Des variantes similaires de mammifères avaient probablement été produites par des mutations génétiques auparavant, mais elles auraient été éliminées par la sélection naturelle pendant le règne des dinosaures. Après l'extinction des dinosaures, les plus gros mammifères ont survécu.
Il y a toujours une tension entre la génétique et la possibilité environnementale, dit Grotzinger, qui a récemment été élu à l'Académie nationale des sciences. Bien que les gènes dictent à quoi ressemble un organisme, dit-il, les forces physiques façonnent le cours de l'évolution d'une espèce. Et lorsque ces forces sont grandes, elles peuvent ouvrir la porte à des formes de vie entièrement nouvelles.
Pour vérifier les résultats d'Oman, les chercheurs du MIT se sont maintenant rendus en Chine, où ils ont trouvé des roches qui remontent à la frontière précambrienne-cambrienne. La Chine a beaucoup de roches du bon âge, et leur conservation semble être spectaculaire, dit Bowring. Au cours de l'année à venir, nous allons produire beaucoup de données intéressantes. D'autres fossiles et signatures d'environnements anciens continueront de faire la lumière sur la façon dont ces créatures intrigantes qui ont prospéré dans les océans cambriens il y a des centaines de millions d'années sont arrivées sur terre.