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Les animaux marins, tels que nous les connaissons aujourd'hui, sont apparus puis se sont diversifiés dans l'océan il y a plus de 500 millions d'années au cours des périodes géologiques du Cambrien et de l'Ordovicien. En dépit d'une tendance nette à l'augmentation de la biodiversité marine, les données paléontologiques témoignent aussi de taux d'extinction exceptionnels sur cet intervalle.
Les causes de ces forts taux d'extinction restaient jusqu'ici très peu comprises. Pour apporter une réponse à cette question fondamentale, une équipe internationale de chercheurs a utilisé une méthode innovante couplant des modèles numériques représentant le climat et la biodiversité au cours des temps géologiques. Les résultats ont été publiés dans la revue Science Advances.
Figure 1: Valeurs de l' "indice métabolique" simulées pour l'actuel (en haut) et le Cambrien, il y a 500 millions d'années (en bas).
Les continents sont représentés en gris (la configuration des continents était très différente dans le passé lointain). Seules les régions côtières sont considérées dans cette étude, car ce sont les régions océaniques qui abritent la diversité la plus importante. Une région caractérisée par une forte valeur de l'indice métabolique peut accueillir des espèces animales ayant des besoins en oxygène élevés. Elle abrite une forte diversité.
La phase de diversification la plus intense qu'a connue la vie marine au cours de l'histoire de la Terre aurait eu lieu au cours du Cambrien et de l'Ordovicien, il y environ 500 millions d'années. C'est à cette époque que sont apparus les grands plans anatomiques d'organisation des animaux que l'on retrouve aujourd'hui dans l'océan. Paradoxalement, les données paléontologiques témoignent également de très forts taux d'extinction à cette période. Cela suggérerait donc une dynamique très particulière de la biodiversité marine à cette époque. Les calculs de taux d'extinction peuvent néanmoins être fortement impactés par différents biais, notamment de préservation et d'échantillonnage, présents dans les bases de données paléontologiques. La question restait donc de déterminer si ces forts taux d'extinction représentaient uniquement un artéfact, ou reflétaient une vraie tendance.
Afin de répondre à cette question, une équipe internationale de recherche, menée par le laboratoire français Biogéosciences à Dijon, a déployé un modèle numérique offrant une représentation couplée du climat et de la biodiversité marine dans le passé géologique. Le modèle simule les températures et la concentration en oxygène dissous dans un océan en trois dimensions.
De nombreuses espèces animales théoriques sont générées, avec des caractéristiques physiologiques réalistes, et laissées libres de coloniser l'océan virtuel ainsi simulé. Chaque espèce est caractérisée par un besoin en oxygène, qui augmente avec la température du fait de l'accélération du métabolisme avec cette dernière. Elle occupe les zones marines dont la concentration en oxygène dissous satisfait ses besoins en oxygène (Fig. 1). Une biodiversité peut alors être calculée dans le modèle en chaque zone géographique, comme le nombre d'espèces s'établissant dans cette zone. Des simulations ont été conduites sur les 540 derniers millions d'années, et tous les 20 millions d'années une susceptibilité d'extinction a été calculée en comptant le nombre d'espèces qui, dans le modèle, disparaissent en réponse à un changement climatique global (Fig. 2).
Figure 2: Susceptibilité d'extinction simulée au cours des 540 derniers millions d'années.
Une susceptibilité d'extinction de 0.08 signifie que 8 % des espèces disparaissent en réponse au changement climatique imposé dans nos expériences.
Abréviations des périodes géologiques: Ꞓ, Cambrien ; O, Ordovicien ; S, Silurien ; D, Dévonien ; C, Carbonifère ; P, Permien ; T, Trias ; J, Jurassique ; K, Crétacé ; P, Paléogène ; N, Néogène. Ma: millions d'années avant l'actuel.
Cette nouvelle étude montre que les taux d'extinction particulièrement élevés durant le Cambrien et l'Ordovicien s'expliquent notamment par le climat et la configuration continentale de cette époque qui ont mené conjointement à une fragmentation très importante des environnements océaniques. Sur la Fig. 1, les zones en rouge sont les régions océaniques qui abritent une forte biodiversité dans le modèle. Dans la simulation actuelle, ces régions sont très étendues à la fois dans l'hémisphère nord et dans l'hémisphère sud. Leur grande étendue spatiale les rend résilientes face aux perturbations environnementales.
Dans la simulation représentant le Cambrien, en revanche, ces régions sont très restreintes spatialement dans l'hémisphère sud et elles n'existent pas dans l'hémisphère nord. Elles peuvent aisément disparaître face à un changement climatique. Lorsque ces régions abritant une forte biodiversité disparaissent, les espèces qui y vivent n'ont alors plus de refuge et disparaissent également. Ces nouveaux résultats montrent que le contexte géologique singulier du Cambrien et de l'Ordovicien a été un facteur de fragilité pour la biosphère lors des changements climatiques.
Référence
Alexandre Pohl, Richard G. Stockey, Xu Dai, Ryan Yohler, Guillaume Le Hir, Dominik Hülse, Arnaud Brayard, Seth Finnegan, Andy Ridgwell.Why the early Paleozoic was intrinsically prone to marine extinction.
Science Advances, publié le 30 août 2023.
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