DE L'EVOLUTION : l'explosion cambrienne

      Notre Terre est âgée d’environ 4,6 milliards d’années et les premiers signes de vie semblent dater de – 3,85 milliards d’années (stromatolithes de l’île d’Akilia, au Groenland, qui sont des formations calcaires construites par des colonies bactériennes). Mais la route sera longue entre ces organismes unicellulaires extrêmement simples et des animaux plus compliqués : il faudra en effet attendre plusieurs milliards d’années supplémentaires pour que les premiers organismes pluricellulaires – ceux qui mènent à nous – voient le jour. Toutefois, cette apparition a été relativement soudaine puisque, il y a 540 millions d’années (Ma) environ et en quelques millions d’années seulement (ce qui est très peu en termes d’âges géologiques) l’essentiel de la Vie sera présent ; cette époque lointaine porte un nom : le Cambrien et la diffusion de la Vie y a été si rapide que les scientifiques parlent « d’explosion cambrienne ». Pourquoi si vite et que sont devenus les animaux de ce temps-là, ce sont les difficiles questions sur lesquelles je souhaiterais m’attarder aujourd’hui.

Les premiers êtres vivants

      Le paléozoïque (anciennement appelé ère primaire) est l’ère géologique qui s’étend de –541 à -252 Ma : divisée en 6 périodes, elle commence par le Cambrien (-541 à –485 Ma), la période qui nous intéresse aujourd’hui.

      A cette époque lointaine, les surfaces émergées de notre globe viennent juste de se fragmenter : le supercontinent Rodinia existant jusqu’alors se casse en huit masses continentales qui se réuniront à nouveau, durant tout le paléozoïque,  pour former un nouvel ensemble unique, la Pangée. Si l’on se rappelle combien la dérive des continents est lente (quelques cm par an), on comprend toute l’étendue de temps de ces périodes archaïques. C’est donc à cette époque mais durant un laps de temps plutôt court qu’apparaît un grand nombre de nouvelles formes animales.

L'explosion cambrienne

      Le terme d’explosion cambrienne renvoie à l’apparition, en seulement quelques millions d’années, d’animaux complexes dont les restes squelettiques vont être minéralisés et, de ce fait, conservés pour la première fois dans les archives fossiles. Plus encore, on va voir apparaître tous les grands plans d’organisation animale, chacun d’entre eux correspondant grosso modo à un embranchement distinct (comme, par exemple, celui des chordés ou celui des mollusques. Rappelons ici que les chordés, à eux seuls, comprennent poissons, grenouilles, serpents, dinosaures, oiseaux et… mammifères !). A cette époque charnière, les embranchements d’êtres vivants deviennent plus nombreux, passant de quatre à plus d’une vingtaine, la plupart n’ayant pas subsisté jusqu’à nous : on peut avancer que jamais la biodiversité n’aura été aussi importante que durant cette période… Il s’agit donc d’un bouleversement majeur dans l’agencement de la vie, peut-être l’événement le plus important pour elle dans l’histoire de notre planète.

la faune d'Édiacara (-250 Ma) ou la fin du Précambrien

      La période édiacarienne est annonciatrice du bouleversement qui surviendra quelques millions d’années plus tard au Cambrien.  Le site qui permit la première identification de cette faune précambrienne se situe donc à Édiacara, en Australie. Il s’agit d’une localité située au nord d’Adélaïde et c’est à cet endroit que fut mise en évidence, conservée dans des sédiments peu profonds, une faune d’animaux très spéciaux : des organismes à symétrie bilatérale ou radiale, ne possédant pas de structure squelettique. D’ailleurs, ils ne possèdent pas grand-chose rappelant les animaux d’aujourd’hui : ni bouche, ni organes digestifs, membres ou queue. Composés de minces feuillets, ils sont en forme de disques mous et semblent se nourrir en filtrant l’eau, un peu comme les éponges. Ce qu’il est intéressant de noter est leur grande diversité ce qui suppose qu’ils occupaient des niches écologiques variées et qu’ils avaient donc colonisé une grande partie des fonds marins de la Terre d’alors. Des endroits semblables à Édiacara ont ensuite été trouvés un peu partout dans le monde, correspondant tous à cette même population et à cette même époque. La disparition de cette faune fut brutale, au début du Cambrien, et a peut-être été due à l’apparition de prédateurs jusque là inexistants.

le schiste de Burgess (-515 à -505 Ma) 

      Nous avons déjà eu l’occasion de parler de cette remarquable découverte dans un sujet spécifique (voir le sujet : le schiste de Burgess). Rappelons-en seulement les principaux éléments. En 1909, dans les montagnes rocheuses de la Colombie britannique, au Canada, le Pr Charles Walcott, un éminent paléontologue, découvre une couche de schiste noir renfermant d’étranges fossiles datant tous d’une période très ancienne, le Cambrien. Fait remarquable, ces fossiles sont particulièrement bien conservés puisqu’on peut en voir les parties molles, des éléments que, habituellement, on ne retrouve pratiquement jamais. Toutefois, Walcott ne comprit pas la signification de sa découverte : selon les critères de son époque (et les préjugés qui font alors de l’Homme le « sommet » de l’Évolution), il « fallait absolument » que ces fossiles soient identifiés comme ayant donné par la suite le monde du vivant que nous connaissons, qu’ils soient tous, en somme, les « ancêtres » des animaux actuels.

      Il faudra attendre les années 60 et la « relecture » de ces fossiles par les paléontologues de l’Université de Cambridge (Whittington, Briggs et Conway Morris) pour comprendre combien la faune de Burgess est en réalité bien plus riche qu’imaginée jusque là. D’étranges lignées d’animaux sont alors identifiées : certaines se retrouvent dans des descendants actuels mais la plupart ont disparu sans laisser de traces. Or, il est particulièrement important d’insister sur un fait fondamental : les animaux qui n’ont pas donné de descendants étaient aussi bien armés que les autres pour survivre et certaines lignées, assurent les scientifiques, avaient « trouvé » des adaptations très ingénieuses. Pourquoi alors la sélection naturelle a-t-elle choisi certains plutôt que d’autres ? C’est simplement le fait du hasard, explique S J Gould, le paléontologue qui consacra tout un livre au sujet (« la Vie est belle », éd. du Seuil, 1991). Le hasard, c'est-à-dire les aléas de l’Évolution avec ses changements d’environnement et ses catastrophes naturelles… Comme pour Édiacara cité plus haut, on trouva d’autres « Burgess » de par le monde avec la même faune correspondant à la même époque. Et toujours cette même certitude : l’apparition de nombreuses familles d’animaux en peu de temps.

     Entre Édiacara (-575 Ma) et le schiste de Burgess (-510 Ma), il existait un intervalle moins connu de quelques millions d’années, correspondant à ce que l’on appelle le Cambrien inférieur. Eh bien, depuis l’ouverture du pays au monde moderne, les fouilles paléontologiques chinoises ont permis de combler cette absence de données.

les nouveaux sites chinois : Chengjiang

(-530 à -520 Ma)

      Ces sites sont particulièrement intéressants car les spécimens d’animaux qui y ont été retrouvés sont parfaitement conservés, parfois même mieux que ceux de Burgess ;

ils représentent envron 190 espèces différentes correspondant à une vingtaine d’embranchements (phylums). La population de ce site du Cambrien inférieur est finalement assez proche de celle du schiste de Burgess : des animaux que l’on peut rattacher sans trop d’erreur à des embranchements connus et d’autres plus difficiles à classer voire possédant pour certains des caractéristiques étranges et totalement inconnues… Un trait commun, répétons-le, semble se distinguer : la grande rapidité (en termes géologiques) avec laquelle est apparue cette formidable diversité qui donne à cette époque le caractère d’une véritable explosion de la Vie. Pourquoi ?

causes de l'explosion cambrienne

      Comme toujours, il est difficile d’attribuer un phénomène de cette importance à une seule cause parfaitement identifiée. Les explications de l’explosion cambrienne paraissent multiples  et peut-être même certaines d’entre elles sont elles intriquées. Quoi qu’il en soit, on avance des explications extérieures (le milieu) et d’autres qui sont plus en rapport avec l’évolution intrinsèque des groupes d’animaux. Voyons cela de plus près.

* l'environnement

      On ne le répétera jamais assez : une modification sensible de l’environnement est un défi pour les animaux existants ; ceux qui jusque là étaient parfaitement adaptés à leur milieu voient bientôt leur existence devenir plus difficile et, la sélection naturelle étant à l’œuvre, il est indispensable que leurs descendants directs « s’adaptent » aux nouvelle conditions sous peine d’être éliminés. Au fil de dizaines de milliers d’années, c’est l’apparition de certaines mutations (qui, auparavant, n’auraient pas été retenues par la Nature) qui permettra l’adaptation des descendants au nouvel environnement et donc la survie de l’espèce quelque peu transformée, les descendants « non mutés » disparaissant peu à peu. Au Cambrien, au moins deux changements majeurs du milieu ont été identifiés :

      . l’oxygène : un changement évident de l’environnement de cette période est l’apparition en grande quantité de l’oxygène, un gaz produit par la photosynthèse (due pour 70% aux algues vertes et aux cyanobactéries, le reste aux plantes terrestres) pendant des millions, voire des milliards d’années : il aura fallu en effet beaucoup de temps pour que l’atmosphère de notre planète se charge en un oxygène qui représente aujourd’hui environ 21% de l’ensemble (le reste est de l’azote et quelques gaz rares). Or on sait que la taille d’un animal dépend essentiellement de sa possibilité d’oxygéner ses cellules : plus son volume est important, plus il a besoin d’oxygène…

      . la Terre boule de neige : avant la période qui nous intéresse et durant des dizaines de millions d’années, la Terre a subi une glaciation massive, au point qu’elle n’était plus qu’une immense boule de glace limitant de fait les possibilités de développement des animaux (niches évolutives réduites et lumière piégée par les glaces empêchant son assimilation par les algues et les cyanobactéries). Bien que cette hypothèse ne soit pas encore totalement certaine, elle aurait le mérite d’expliquer la soudaineté de l’explosion. On pourra trouver un article complet consacré à ce sujet ICI.

* la génétique

      . les gènes spécifiques : on a déjà souligné l’apparition brutale et concomitante d’embranchements animaux totalement nouveaux. Or ces transformations ne peuvent s’expliquer que par l’apparition de gènes spécifiques, notamment les gènes HOX, qui conditionnent le positionnement et le développement des différents organes dans des régions bien précises de l’organisme (certains déterminent l’emplacement d’un membre, d’autres de l’œil ou des antennes, etc.). On peut imaginer que leur apparition (ou transformation) à cette époque a permis la survenue de formes de vie totalement nouvelles.

      . l’apparition de la vue : longtemps les animaux primitifs se sont servis des sens permettant une identification à courte distance comme le toucher et l’odorat. A partir du moment où un prédateur a pu repérer sa proie de loin, la donne a été totalement changée. L’époque cambrienne a été notamment marquée par l’apparition d’une variété d’arthropodes, les trilobites. Ces animaux avaient un ancêtre au précambrien dont on pense qu’il a été le premier à disposer d’un organe visuel rudimentaire. Rudimentaire car il n’était sensible qu’aux variations importantes de lumière (voir le sujet : l’œil, organe phare de l’Évolution). Ce nouvel organe, l’œil, donnait à son propriétaire un avantage évolutif fantastique puisque lui permettant de repérer de loin ses proies. On peut penser que l’acquisition de cet organe nouveau a précipité la « course aux armements » des différents animaux et donc l’apparition des nouvelles espèces…

* l'écosystème

      . l’apparition de la prédation : les animaux de la période édiacarienne que nous avons déjà évoqués ne semblaient pas souffrir d’une réelle compétition ; on pense même que c’est l’apparition de prédateurs qui a provoqué leur perte. Ce qui est certain, c’est qu’au Cambrien, la compétition était de rigueur. De ce fait, il commença à exister une sorte de course entre les proies se dotant de défenses toujours plus perfectionnées (épines, carapaces, mobilité accrue, etc.) tandis que les prédateurs trouvaient continuellement de nouveaux angles d’attaque. Cette compétition se poursuit toujours aujourd’hui (du moins dans la Nature dite sauvage) et l’apparition d’un moyen de résister à la prédation est toujours un avantage évolutif décisif expliquant la sélection naturelle. Au Cambrien, si la prédation ne représente probablement pas l’apparition de tous ces animaux nouveaux, elle y a sûrement beaucoup contribué.

     . l’extinction de masse de l’Édiacarien : on a déjà évoqué la disparition brutale des animaux de l’époque précédant le Cambrien. Cette disparition est-elle la conséquence de l’apparition des nouveaux animaux du Cambrien ou l’a-t-elle provoqué ? Difficile de conclure dans un sens ou dans l’autre. Ce qui est sûr, c’est que la disparition des animaux de l’Édiacarien a libéré nombre de niches écologiques immédiatement occupées par leurs successeurs…

      Comme on peut le voir, les explications du développement de la Vie au Cambrien ne manquent pas et il est assez probable que ce soit la conjonction de plusieurs d’entre elles qui explique le phénomène.

unicité de l'explosion cambrienne

      L’apparition à cette époque lointaine des différentes branches d’animaux est un phénomène réellement singulier ayant évolué en deux temps. D’abord, les animaux colonisent les fonds sous-marins, occupant toutes les niches écologiques possibles : il s’agit alors de la faune d’Édiacara apparue juste avant la période cambrienne. Ensuite, cette colonisation s’étend vers le haut à l’ensemble des océans : nous sommes alors quelques millions d’années plus tard, au Cambrien, le temps où la biodiversité sera maximale et où tout semble possible pour tous les embranchements d’animaux, même les plus surprenants. Par la suite, il n’existera jamais plus une telle profusion de vie animale…

      Dans toute la vie de la planète, on ne connaitra ensuite que deux « explosions de vie » analogues et elles ne concerneront que les plantes : la première se fera au Dévonien, c'est-à-dire aux environ de –400 Ma et elle verra la colonisation des terres émergées par les végétaux. Ensuite, bien plus tard, au Crétacé, ce sera la colonisation de notre monde par les plantes à fleurs : nous sommes alors au moment où vont disparaître les dinosaures, vers –65 Ma, et certains scientifiques avancent même que c’est ce bouleversement dans la flore terrestre qui est en partie responsable de l’extinction des grands sauriens.

      Pour les animaux, en revanche, même si la biodiversité reste relativement élevée, elle ira néanmoins en se réduisant sans cesse.

la biodiversité se réduit au fil du temps

      Bien souvent dans d’autres sujets de ce blog, j’ai eu l’occasion de faire remarquer que l’immense majorité des espèces ayant vécu sur la Terre, parfois durant des dizaines de millions d’années, voire plus, a aujourd’hui disparu. Depuis l’extraordinaire époque de l’explosion cambrienne, des espèces se sont éteintes faute d’avoir pu évoluer à temps, d’autres se sont transformées en des espèces si différentes qu’elles n’ont plus rien à voir avec leurs ancêtres. D’autres encore, et par centaines de milliers, ont subi un sort contraire lors d’une des cinq grandes extinctions de masse survenues par hasard lors d’une modification brutale du milieu. Ce qui fait que, aujourd’hui, bien qu’il reste des millions d’espèces différentes (surtout chez les insectes), la biodiversité est bien moindre que jadis. Et c’est à ce moment somme toute plus difficile pour la vie que l’un des occupants de la biosphère, l’Homme, a jeté toutes ses forces pour un changement radical de la Vie sur notre planète, un changement qui menace très certainement le bien commun. Cette fuite en avant sera-t-elle sans conséquence en une sorte d’évolution (presque) naturelle ou, au contraire, entraînera-t-elle des effets délétères sur cette Vie si chèrement acquise ?

Sources

1. www.cnrs.fr

2. histoiredutemps.free.fr

3. Wikipedia.org

4. www.futura-sciences.com

5. burgess-shale.rom.on.ca

Images

1. les sites du mont Burgess en Colombie britannique, Canada (sources : burgess-shale.rom.on.ca)

2. stromatolithes de l'île d'Akilia, au Groenland (sources : wildstonearts.com)

3. le supercontinent Rodinia (sources : Freshman Science Textbook)

4. faune d'Édiacara (sources : amandinechiocca.wordpress.com)

5. faune du schiste de Burgess (sources : animals-life.skyrock.com)

6. faune de Chengjiang (sources : burgess-shale.rom.on.ca)

7. Terre "boule de neige" (sources : feonor-journal.blogspot.fr)

8. trilobites (sources: fossimall.com)

9. la Terre de nuit (sources : www.attentionalaterre.com)

  (pour lire les légendes des illustrations, passer le curseur de la souris dessus)

Mots-clés :   stromatolithes  - Pangée - embranchement ou phylum - faune d'Édiacara - schiste de Burgess - Stephen J Gould - site de Chengjiang - sélection naturelle - mutation - photosynthèse - Terre boule de neige - gènes Hox - trilobites

  (les mots en blanc renvoient à des sites d'information complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog

1. le schiste de burgess

2. les extinctions de masse

3. l'oeil, organe phare de l'Évolution

4. distances et durées des âges géologiques

5. la notion d'espèce

6. vie animale et colonisation humaine

7. la Terre boule de neige

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dernière mise à jour : 15 mars 2023