Une nouvelle étude menée par Stanford a fourni la preuve la plus solide à ce jour expliquant pourquoi certains animaux marins ont survécu à la plus grande extinction massive de la Terre tandis que de nombreux autres ont disparu à jamais. Les résultats expliquent non seulement comment les écosystèmes océaniques modernes ont vu le jour, mais offrent également un aperçu de la manière dont le réchauffement actuel des océans pourrait affecter la vie marine.
Il y a environ 252 millions d’années, l’extinction du Permien-Trias, souvent appelée « la grande mort », a anéanti environ 96 % des espèces marines et 70 % des animaux terrestres. Pourtant, la dévastation n’a pas été répartie uniformément sur l’arbre de vie.
Avant l’extinction, les anciens fonds marins étaient dominés pendant environ 280 millions d’années par des brachiopodes, qui ressemblent à des palourdes, ainsi que par des nénuphars (crinoïdes) et d’autres animaux vivant au fond. Après la catastrophe, ces groupes autrefois dominants ont été presque éliminés. En revanche, seulement la moitié environ des mollusques, y compris les palourdes et les escargots, ont disparu. Les survivants, ainsi que les poissons et les échinodermes tels que les étoiles de mer et les oursins, ont continué à dominer les océans de la Terre, un modèle qui se poursuit aujourd’hui.
Publié le 6 juillet dans le Actes de l’Académie nationale des sciencesl’étude est la première à combiner les données biologiques des groupes dévastés par l’extinction et de ceux qui ont survécu. Les résultats mettent en évidence une différence majeure : les espèces dont le métabolisme était moins capable de faire face à des eaux plus chaudes et pauvres en oxygène ont connu les taux d’extinction les plus élevés.
Ces conditions océaniques difficiles, qui se sont développées à la suite d’éruptions volcaniques massives, ont pompé d’énormes quantités de dioxyde de carbone et de méthane dans l’atmosphère, réchauffant considérablement la planète.
« Avec cette étude, nous voulions essentiellement résoudre le mystère de savoir pourquoi, lorsque vous allez à la plage, vous ramassez les coquilles de palourdes et d’escargots plutôt que celles de brachiopodes », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Jose Andres Marquez, ancien doctorant dans le laboratoire d’Erik Anders Sperling à Stanford. « Nos résultats montrent que, dans différents groupes d’organismes, les extinctions se sont produites à des taux beaucoup plus élevés pour les personnes les plus vulnérables à l’augmentation de la température de l’eau et à la diminution de la disponibilité en oxygène. »
L’extinction ancienne offre un avertissement climatique moderne
Selon les chercheurs, ces travaux ont également des implications importantes pour le présent. Les conditions environnementales avant la Grande Mort ressemblaient aux océans relativement frais et riches en oxygène qui existaient pendant des millions d’années avant que les activités humaines ne commencent à modifier rapidement le climat de la Terre par les émissions de combustibles fossiles.
« Cette étude est vraiment le dernier clou dans le cercueil de ce qui a causé l’extinction massive du Permien-Trias », a déclaré Sperling, auteur principal de l’étude et professeur agrégé de sciences de la Terre et des planètes à la Stanford Doerr School of Sustainability. « La plus grande extinction massive de tous les temps a commencé dans un monde très similaire à celui d’aujourd’hui, avec un océan relativement frais et relativement bien oxygéné, puis il y a eu une injection géante de dioxyde de carbone dans le système terrestre. Comprendre comment la Terre et son biote ont réagi à l’époque pourrait nous informer de ce qui va arriver. »
Pourquoi le métabolisme détermine la survie
Le métabolisme comprend tous les processus chimiques qui permettent aux organismes vivants de produire de l’énergie et de rester en vie. Au cours de l’ère paléozoïque, qui s’est terminée avec la Grande Mort, de nombreux animaux marins se déplaçaient lentement et se nourrissaient de filtres de fond, notamment les brachiopodes, les crinoïdes (lys de mer, apparentés aux étoiles de mer) et certains coraux et anémones de mer.
Les animaux marins qui ont prospéré par la suite étaient généralement beaucoup plus actifs. Les poissons, les escargots mobiles, les oursins et les bivalves comme les palourdes, les huîtres et les moules nécessitent tous un métabolisme plus rapide pour soutenir leurs mouvements et, dans de nombreux cas, un mode de vie prédateur.
Comparés aux brachiopodes, les bivalves ont des besoins énergétiques plus importants en raison de leur corps plus grand et de leur « pied » musclé qui leur permet de creuser et de ramper.
« C’est pourquoi nous mangeons de la chaudrée de palourdes et nous ne mangeons pas de chaudrée de brachiopodes », a déclaré Sperling. « Les brachiopodes n’ont presque pas de viande. »
Avant l’extinction, les brachiopodes étaient largement plus nombreux que les bivalves. Aujourd’hui, il ne reste qu’environ 400 espèces de brachiopodes, alors qu’il existe environ 10 000 à 15 000 espèces de bivalves.
Sperling a comparé ce changement écologique spectaculaire à l’extinction des dinosaures non aviaires il y a 65 millions d’années, « où les mammifères ont essentiellement pris le relais et n’ont plus jamais cédé cette niche aux reptiles ».
Recréer une ancienne crise océanique
La recherche s’appuie sur une étude de Princeton et Stanford de 2018, qui concluait que le réchauffement des océans et la perte d’oxygène étaient probablement responsables de la Grande Mort. Cependant, ces travaux antérieurs reposaient en grande partie sur des données physiologiques collectées sur des espèces marines modernes, en particulier sur des poissons et des crustacés économiquement importants, ce qui laissait d’importantes lacunes dans les connaissances sur les animaux qui étaient en réalité les plus durement touchés.
« Dans notre nouvelle étude, nous avons comblé cette lacune concernant la physiologie de la faune paléozoïque pour voir si nous pouvions expliquer non seulement la biogéographie de l’extinction mais aussi la sélectivité taxonomique de l’extinction », a déclaré Sperling.
Pour combler cet écart, l’équipe a mené des années de travail sur le terrain, notamment en collectant des brachiopodes vivants dans les îles San Juan, dans l’État de Washington, où ils restent relativement communs. Les chercheurs ont rassemblé un large éventail d’animaux marins représentant à la fois les écosystèmes océaniques anciens et modernes.
Dans les stations de terrain et dans les laboratoires de Stanford, les scientifiques ont mesuré la quantité d’oxygène consommée par chaque organisme à différentes températures d’eau. À mesure que l’eau se réchauffe, l’activité métabolique s’accélère, augmentant ainsi la demande en oxygène de l’animal.
Les expériences ont révélé que les animaux du Paléozoïque pouvaient survivre dans des conditions d’oxygène plus faibles que de nombreuses espèces modernes. Cependant, lorsque les températures ont augmenté, leur lent métabolisme n’a plus pu suivre. Leurs besoins en oxygène ont augmenté beaucoup plus rapidement que ceux des animaux marins modernes.
Selon les chercheurs, les différences dans la structure corporelle contribuent à expliquer ce résultat. Les espèces modernes plus actives ont besoin de plus d’oxygène dans des conditions normales, mais elles possèdent également les muscles et les branchies nécessaires pour répondre à la demande croissante en oxygène pendant le réchauffement.
« Le réchauffement et la perte d’oxygène en sont les principaux facteurs », a déclaré Sperling.
D’autres études ont également identifié l’acidification des océans, provoquée par le dioxyde de carbone rendant l’eau de mer plus acide, comme un autre facteur de stress, car elle rend plus difficile la formation des coquilles. Sperling a déclaré que les nouvelles découvertes suggèrent que l’acidification a probablement contribué à l’extinction, mais qu’elle a été beaucoup moins importante que le réchauffement et l’épuisement de l’oxygène.
Leçons pour les océans d’aujourd’hui
L’équipe de Stanford prévoit d’étendre ses recherches à d’autres groupes d’animaux marins afin de mieux comprendre comment le réchauffement, la perte d’oxygène et l’acidification interagissent, d’autant plus que ces trois phénomènes deviennent de plus en plus graves dans les océans d’aujourd’hui.
Les chercheurs préviennent que l’histoire pourrait se répéter si les espèces marines modernes étaient confrontées à des eaux de plus en plus chaudes et appauvries en oxygène.
« La mauvaise nouvelle est que nous sommes sur la bonne voie pour atteindre les niveaux de réchauffement du Permien-Trias dans les projections du pire des scénarios », a déclaré Sperling. Les températures ont augmenté de 8 à 12° Celsius sur des milliers d’années pour provoquer la Grande Mort, et aujourd’hui, sur seulement 100 à 200 ans, les températures devraient être de 1,5 à 4° Celsius plus élevées que l’époque préindustrielle d’ici 2100. « Mais la bonne nouvelle est que nous sommes encore au point où nous pouvons changer les choses et faire quelque chose. »
Le financement a été fourni par la National Science Foundation des États-Unis, la NASA, la Palaeontological Association et le Stanford Woods Institute for the Environment.