L’explosion du Burgess. Quels détonateurs ?

Chronologie. Sur ce graphique, l'explosion du Cambrien se situe à la hauteur de l'image désignée comme Hard-shelled Animals, animaux dotés de structures rigides (calcaires).

NB. On trouvera en italique dans le cours de cet article quelques observations personnelles.

Sparks of life fournit de nouveaux éléments à la question que se posent encore sans réponses définitives les biologistes évolutionnistes : pour quelles raisons, après les milliards d'années ayant suivi le moment où la vie est apparue sur Terre (ou plutôt dans les mers) sous les formes simples d'organismes, bactéries ou algues monocellulaires, ces organismes se sont brutalement complexifiés sous la forme d'organismes multicellulaires, généralement dits métazoaires, dont sont issues toutes les espèces aujourd'hui présentes sur le globe.

Certes les premiers multicellulaires, apparues vers – 800 – 750 millions d'années, n'ont pas laissé de traces fossiles directes. Cependant aujourd'hui, des fouilles menées dans les Montagnes Rocheuses canadiennes, dans les schistes proches du Marble Canyon, permettent de mettre au jour des spécimens d'organismes primitifs dont il y a tout lieu de penser qu'ils dérivent directement des premiers multicellulaires. Les chercheurs ont ainsi trouvé de nombreux spécimens d'arthropodes très proches des insectes et crustacés modernes. Leur âge est estimé à – 500 millions d'années.

Marble Canyon a été découvert récemment. Il appartient à l'ensemble désormais célèbre des schistes du Burgess (Burgess Shale) qui constituent encore aujourd'hui la source d'information la plus riche concernant les premiers multicellulaires. Ceux-ci se sont brutalement diversifiés dans ce qui est nommé l'explosion du Cambrien. Les fossiles ou indices datant de cette époque appartiennent à ce que l'on nomme la faune du Burgess. Ils présentent une extraordinaire diversité, avec de très nombreux caractères qui se sont perdus dans la suite de l'évolution. Beaucoup de ces caractères cependant se sont conservés et peuvent être considérés comme les prototypes de ceux retrouvés sous forme fossile ultérieurement ou au sein des organismes modernes. L'explosion de Cambrien n'a cependant duré que quelques millions d'années, c'est-à-dire un temps très court à l'horloge de l'évolution ( Voir ci-dessus)

On doit noter que certaines créatures proches de celles du Burgess ont été récemment découvertes en Chine dans le Site fossilifère de Chengjiang, dans le Yunnan, dénotant une possible répartition plus large que celle jusqu'ici attribuée à la faune du Burgess – ce qui n'aurait d'ailleurs rien d'étonnant. 3)

Causes envisagées

On estime aujourd'hui que cette explosion du Burgess n'a pas été due à un facteur unique, mais à la conjonction de facteurs survenus simultanément et s'étant répercutés et amplifiés réciproquement uns sur les autres (de même qu'aujourd'hui le passage à ce que l'on nomme la Singularité dans l'évolution technologique peut être attribuée à la conjonction d'évènements dits convergents et exponentiels).

Les premiers indices d'organismes multicellulaires apparaissent dans des roches de – 750 mn d'années qui contiennent des biomolécules fossilisées telles qu'elles se retrouvent aujourd'hui dans les éponges. 150 mn d'années plus tard sont apparus les Ediocarans (voir notre article cité) répandus dans les mers du début du Cambrien, disparus ensuite dans ce que l'on peut qualifier une première extinction massive, sans laisser de descendants analogues aux formes de vie moderne. Cependant, à défaut de fossiles, les traces laissées dans le sous-sol marin sous forme de tranchées et d'abris crées par ces organismes 4) montrent qu'à la transition Ediacaran-Cambrien, d'importants changements sont survenus chez les organismes responsables de ces traces. Celles-ci, tranchées et autres, laissées par les organismes vivant sur le plancher sous-marins, correspondent à des animaux très différents, vers et mollusques. (Il aurait été intéressant de préciser comment les paléontologues distinguent de telles traces de celles résultant d'une simple évolution de la roche).

Dans les schistes datés de – 520 millions d'années se retrouvent les principaux groupes d'animaux vivant aujourd'hui. Autrement dit, entre – 540 et – 520 millions d'années s'est construit le paysage animal actuel, homo sapiens compris. (L'évolution des végétaux terrestres a suivi des voies un peu différentes, à partir notamment des monocellulaires photosynthétiques) On a longtemps pensé qu'il a fallu 2,5 milliards d'années aux gènes des premiers organismes monocellulaires pour évoluer spontanément et donner naissance aux gènes modernes. L'hypothèse est recevable, mais rien ne permet de la prouver. Pourquoi pas 1 milliard ou 5 milliards d'années ? D'autant plus que l'étude des multicellulaires antérieurs au Cambrien, notamment les ediocarans, montre que la plupart possédaient une complexité presqu'aussi grande que celle de leurs successeurs du Cambrien. Pourquoi alors n'avaient-ils pas subi une évolution aussi explosive que celle de ces derniers ?

On a suggéré d'autres facteurs pouvant être à la base de l'explosion du Cambrien. La productivité en nutriments des fonds marins aurait pu être fortement accrue à la suite des fouissages résultant de l'activité des premières générations d'organismes. Dans un autre ordre d'idée l'apparition de prédateurs aurait pu enclencher une guerre évolutive entre prédateurs et proies.

La question reste par ailleurs posée de savoir pourquoi l'explosion du Cambrien ne s'est pas produite plus tôt (ou plus tard). Il a été observé qu'à partir du Cambrien le niveau des mers s'est fortement élevé. Ceci a provoqué une érosion continentale apportant aux océans des éléments minéraux dont ils étaient peu pourvus jusqu'alors, calcium, phosphates et potassium. Les animaux s'en seraient servis pour diversifier et fortifier leurs formes. Cependant, l'expérience montre aujourd'hui que l'apport de nouveaux nutriments entraine une augmentation du nombre des individus propres à chacune des espèces bénéficiaires, mais ne provoque pas nécessairement l'apparition de nouvelles espèces.

Un autre facteur explicatif pourrait être l'augmentation du taux d'oxygène dans l'atmosphère. Aux origines de la vie et jusqu'à – 8oo millions d'années, le taux d'oxygène atmosphérique était d'environ 0,1% du taux actuel. Sans oxygène, les organismes vivants sont peu actifs. Peu de prédateurs n'apparaissent, la prédation supposant le mouvement. A partir d'un taux de 1 à 5 % du taux actuel, tout change. Or il semble que les anciens océans aient commencé à atteindre ce taux à l'époque de l'explosion du Cambrien. Ceci aurait résulté de l'activité des planctons photosynthétiques s'étant développés dans les mers durant le milliard et quelques d'années précédentes.

Une hypothèse un peu différente intéressant la réponse à cette question a été présentée en 2014.5). Les cadavres des algues et bactéries monocellulaires tombaient pendant les milliards d'années initiales au fond des océans et pourrissaient, en consommant le peu d'oxygène alors présent dans l'eau. Les choses ont changé lorsque les éponges sont apparues, un peu avant les edicarans. Elles ont joué le rôle de filtre purgeant les eaux des excès de cadavres d'unicellulaires. De même leurs restes, enfouis eux-aussi au fond des océans, étaient de taille suffisante pour y retenir de l'oxygène.

Les recherches se poursuivent sur ces questions. Elles sont plus importantes qu'il n'y paraît. Aujourd'hui, des changements massifs affectent la température, l'oxygénation, la composition chimique et le type d'organismes vivant dans les océans. Or plus on en saura sur les mécanismes en causes, mieux cela sera.

Malheureusement, tout laisse penser qu'actuellement ce ne serait pas une nouvelle explosion et diversification de la vie qui se préparerait sur le modèle de celle du Burgess, mais une nouvelle grande extinction, analogue à l'extinction Permien Trias, sinon plus massive.

Notes

1) NewScientist. Sparks of life http://www.newscientist.com/article/mg22530100.600-evolutions-big-bang-how-life-on-earth-took-off.html#.VPhlNOERlEM

2) Voir par exemple sur Automates Intelligents, nos articles concernant les premières formes de vie et l'origine des organismes multicellulaires.
* L'étonnante aventure des Ediacarans
* Les BioMEMS
* Notre recension du livre de Nick Lane, Life ascending The Ten Great inventions of Evolution

3) Voir http://whc.unesco.org/fr/list/1388/

4) Voir Decoupling of body-plan diversification and ecological structuring during the Ediacaran–Cambrian transition : evolutionary and geobiological feedbacks, février 2014

5) Voir Nature Geoscience Co-evolution of eukaryotes and ocean oxygenation in the Neoproterozoic era