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Les extinctions de masse

Document www.extinctions.com.

Prélude d'une mort annoncée (I)

Comment expliquer que des milliers d'espèces en pleine croissance ou parvenues au sommet de leur évolution aient disparues périodiquement depuis l'ère Paléozoïque il y a 444 millions d'années ?

En découvrant qu'il manquait des espèces dans les enregistrements fossiles, Darwin imagina qu’il dût y avoir des cataclysmes peu plaisants dans le passé, ce qui n’allait pas vraiment dans le sens de sa théorie de l’évolution. C’est la raison pour laquelle il évoqua des disparitions graduelles car elles devaient dépendre, selon lui, de la sélection naturelle. Or, après analyse, géologues et paléontologues reconnurent que des catastrophes globales s’étaient bien produites, mais que l’Histoire de la Terre ne se résumait pas à une suite progressive d’évènements : en fait l’évolution suivait plutôt un régime chaotique[1] !

On ignore encore quels sont les évènements ayant provoqué ces extinctions de masse mais selon le paléontologue Rolf Schmidt du Musée Victoria de Melbourne, spécialiste des invertébrés fossiles en particulier des Ectoptocta ou Bryozoaires du Mésozoïque et du Cénozoïque, les causes ont quelque chose à voir avec un changement brutal des conditions climatiques.

Précisons que selon une étude publiée en 2019 sur laquelle nous reviendrons, les chercheurs ont identifié une sixième extinction de masse qui s'est produite il y a ~260 millions d'années.

A télécharger :

Echelle des temps géologiques, VF 2012 (et PDF) - Version anglaise (2018), ICS

Les six principales extinctions de masse.

Décrivons brièvement ces grandes extinctions de masse avant de discuter de leurs origines probables.

A la fin de l'Ordovicien (444 millions d'années)

Au cours de l'Ordivicien tardif, il y a 444 millions d'années, à l'époque où le continent Gondwana (comprenant l'Afrique, l'Inde, l'Europe, l'Amérique du Sud, l'Australie et Antarctique) amorçait son rapprochement du continent Laurentia (la future Amérique du Nord) , 86% des espèces ont disparu. Il s'agit de la deuxième plus grande hécatombe après celle du Permien (voir plus bas) mais sa cause reste encore en partie mystérieuse.

Carte paléogéographique de l'Ordovicien tardif (450 Mio). Document J.Smolarek-Lach et al. (2019) adapté par l'auteur.

Parmi les espèces ayant disparu, il y avait les graptolites présentés ci-dessous à gauche, une créature marine mesurant seulement 2-3 cm qui filtrait l'eau et vivait en colonies rassemblant jusqu'à plusieurs milliers d'individus. Les graptolites sont apparus au Cambrien furongien (anciennement Cambrien supérieur, il y a 497 millions d'années) et ont disparu au Carbonifère (300 millions d'années). Leur disparition qui s'étala sur environ 1 million d'années fut très remarquée en Laurentia, dans la région actuelle de l'Amérique du Nord.

Au fil du temps, plusieurs mécanismes d'extinctions ont été proposés, notamment des évènements bioévolutionnaires (cf. T.Servais et al., 2016; T.M. Lenton et al., 2012), des changements océanographiques (cf. L.Zhou et al., 2015; M.J. Melchin et al., 2013; Brenchley et Newall, 1984) et des processus géotectoniques (cf. Servais et Harper, 2004).

Cette extinction de masse fut d'abord probablement provoquée par un bref mais sévère âge glaciaire qui baissa le niveau des mers, probablement suite à l'élévation de la chaîne des Appalaches. Les roches composées de silicates nouvellement exposées à l'air ont absorbé le dioxyde de carbonique de l'atmosphère, produisant un refroidissement de la planète.

Ce n'est qu'en 2017 qu'on établit également un lien avec une activité volcanique. Des relevés effectués dans la région péri-baltique ont montré la présence d'une forte anomalie positive de mercure et des conditions redox (oxydoréduction). L'enrichissement en mercure fut associé à des évènements volcaniques qui ont déclenché des changements environnementaux massifs (cf. J.Smolarek-Lach et al., 2019). Combinés à la baisse durable des températures, la plupart des créatures n'ont pas pu s'adapter suffisamment vite à ce changement climatique et ont disparu.

A la fin du Dévonien (375 millions d'années)

Ensuite, il y eut l'extinction survenue à la fin du Dévonien, il y a 375 millions d'années au cours de laquelle 75%  des espèces ont disparu dont une majorité de trilobites. Ces arthropodes (elle représente aujourd'hui la classe la plus importante du règne animal avec 80% des espèces connues comprenant les crustacés, les insectes, les arachnides, etc.) sont apparus lors de "l'explosion du Cambrien" il y a 550 millions d'années.

Très connus du public en raison de leur grande diversité (on a répertorié 18750 espèces!) et caractérisés par leur corps segmenté et leurs yeux proéminents à facettes, les trilobites ont suvécu à la première grande extinction mais furent pratiquement balayés des océans au cours de la seconde extinction de masse. Le présumé coupable fut l'émergence des plantes terrestres qui couvrirent toute la planète à l'époque du Dévonien. Leurs racines profondes ont remué la terre, libérant des nutriments qui ont fini dans les océans. On pense que ce phénomène accéléra la croissance des algues qui absorbèrent l'oxygène de l'eau, provoquant la suffocation des animaux vivant sur le fond comme les trilobites.

A lire : L'apparition et le développement de la vie

Les premiers métazoaires (troisième partie)

A gauche des fossiles de graptolites de 2-3 cm, des créatures marines filtrant l'eau vivant à la fin de l'Ordovicien, il y a 440 millions d'années. Au centre et à droite, deux parmi les 18750 espèces de trilobites (5 cm) vivant à la fin du Dévonien, il y a 375 millions d'années. Voici un gros-plan sur les yeux à facettes du spécimen de droite. Documents Jaime Murcia/Musée de Victoria, Chip Clark/Smithsonian Institution (NMNH) et coll. T.Lombry.

L'effet du rayonnement UVB sur les écosystèmes

Dans une étude publiée en 2020 dans la revue "Science Advances", John E.A. Marshall de l'Université de Southampton (qui est aussi un explorateur pour le National Geographic) et ses collègues ont apporté des preuves montrant que des niveaux élevés de rayonnement UV ont détruit les écosystèmes forestiers et tué de nombreuses espèces de poissons et de tétrapodes à la fin du Dévonien, il y a 359 millions d'années.

Les chercheurs ont découvert dans l'est du Groenland dans des roches qui formaient autrefois le lit d'un immense lac intérieur au coeur du vieux continent aride de grès rouge prélude aux futures Europe et Amérique du Nord, des spores de plantes terrestres (du pollen et des plantes semblables à des fougères qui n'avaient ni graines ni fleurs) malformées. De plus, de nombreuses spores avaient des parois pigmentées sombres, considérées comme une sorte de "bronzage" protecteur, en raison de l'augmentation et de la détérioration des niveaux d'UV. Ces données démontrent que l'extinction du Dévonien coïncida avec un rayonnement UVB élevé suite à une réduction de la couche d'ozone.

Les données sur le mercure relevé durant cette période d'extinction massive prouvent que, contrairement à d'autres extinctions massives, il n'y a pas eu d'éruptions volcaniques (source de mercure) à l'échelle planétaire ni d'impact météoritique majeur. En revanche, l'extinction coïncidait avec un réchauffement climatique majeur qui mit fin au cycle glaciaire intense du Dévonien.

Des spores de végétaux du Dévonien récoltés dans une couche de charbon dans le lit d'un ancien fleuve à Rebild Bakker au Danemark. Ci-dessus, un spore normal de Grandispora cornuta (gauche) et malformé (droite). Ci-dessous, un spore normal de Verrucosisporites nitidus (gauche) et un spécimen fortement pigmentée (droite). Documents J.E.A. Marshall et al. (2020).

Cette période glaciaire intense fut suivie par un réchauffement rapide de l'atmosphère au cours duquel un mécanisme de réduction de la couche d'ozone s'enclencha suite à l'augmentation du transport convectif du monoxyde de chlore (ClO), un radical connu pour son rôle destructif de la couche d'ozone. C'est un processus inhérent au système terrestre. Selon les auteurs, "Il conduit à la conclusion inévitable que nous devrions être attentifs à une telle éventualité dans le futur réchauffement climatique".

Les chercheurs en déduisent que pendant une période de réchauffement climatique rapide, la couche d'ozone s'est effondrée pendant une courte période, exposant la vie sur Terre à des niveaux nocifs de rayonnement UV, provoquant un év7nement d'extinction de masse sur terre et dans les eaux peu profondes à la frontière Dévonien-Carbonifère. Cette élévation de l'intensité du rayonnement UVB dura plusieurs milliers d'années.

La conséquence de l'explosion de supernovae ?

Quant à savoir quel évènement conduisit à la réduction de la couche d'ozone, la question reste ouverte. Toutefois, dans un article publié dans les "PNAS" en 2020 (en PDF sur arXiv), une équipe de chercheurs dirigée par l'astrophysicien Brian Fields de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign suggère que "de multiples explosions de supernovae à environ 65 années-lumière de distance peuvent avoir contribué à l'appauvrissement de la couche d'ozone et à plusieurs extinctions ultérieures à la limite du Dévonien-Carbonifère, il y a environ 359 millions d'années". Selon Jesse A. Miller, doctorant en astronomie à l'Université de l'Illinois et coauteur de cet article, les dommages induits sur la Terre et à sa couche d'ozone peuvent durer jusqu'à 100000 ans.

Illustration du rémanent d'une supernova ou SNR quelques années après son explosion. Selon les conditions, le résidu stellaire, c'est-à-dire le noyau de l'étoile massive peut éventuellement avoir survécu sous forme d'astre compact (naine blanche, étoile à neutrons, pulsar ou trou noir) mais il peut également avoir été éjecté à grand vitesse du lieu d'explosion ou avoir été totalement détruit. Document T.Lombry.

Cependant, des preuves fossiles indiquent un déclin de 300000 ans de la biodiversité menant à l'extinction de masse du Dévonien, suggérant la possibilité de plusieurs catastrophes, peut-être même de multiples explosions de supernovae. Selon Miller, "C'est tout à fait possible. Les étoiles massives naissent généralement au sein d'amas avec d'autres étoiles massives, et d'autres supernovae sont susceptibles de se produire peu de temps après la première explosion".

Mais pour prouver qu'une supernova s'est manifestée à cette époque et près de la Terre, il faudrait trouver les isotopes radioactifs du plutonium-244 et du samarium-146 dans les roches et fossiles déposés au moment de l'extinction. Mais le plutonium-244 et le samarium-146 se désintègrent au cours du temps; la demi-vie du 244Pu est de 80 millions d'années et de 68 millions d'années pour le 146Sm. De plus, ces radioisotopes n'existent pas naturellement sur Terre. La seule façon de les créer est via une réaction atomique ou un processus astrophysique. Si les chercheurs découvrent ces radioisotopes sur Terre, cela signifie qu'ils furent créés récemment par une supernova qui explosa à proximité du système solaire.

On peut aussi tenter d'identifier son progéniteur s'il n'a pas été détruit, la naine blanche, l'étoile à neutrons, le pulsar ou le trou noir éventuel ou même l'enveloppe de gaz et de poussière éjectée au cours de l'explosion, c'est-à-dire le rémanent de supernova (SNR). Mais cela revient à chercher une aiguille dans une botte de foin et donc les chances de réussir sont pratiquement nulles.

Quoi qu'il en soit, pendant cette extinction les plantes ont survécu de manière sélective mais furent fortement perturbées lorsque l'écosystème forestier s'est effondré. Le groupe dominant de poissons blindés (Placodermes) a disparu. Ceux qui ont survécu furent les requins et les poissons osseux.

Selon Marshall, les découvertes de son équipe ont des implications surprenantes pour la vie sur Terre aujourd'hui. "Les estimations actuelles suggèrent que nous atteindrons des températures moyennes mondiales similaires à celles d'il y a 360 millions d'années, avec la possibilité qu'un effondrement similaire de la couche d'ozone puisse se reproduire, exposant la surface et la vie marine peu profonde à des radiations mortelles. Cela nous ferait passer de l'état actuel du changement climatique à une urgence climatique".

Cette extinction est survenue à un moment clé pour l'évolution de nos propres ancêtres, les tétrapodes. Les premiers tétrapodes sont des poissons qui ont évolué pour avoir des membres plutôt que des nageoires, mais qui vivaient encore principalement dans l'eau. Leurs membres possédaient de nombreux doigts et orteils. L'extinction a réinitialisé la direction de leur évolution, les survivants post-extinction étant terrestres et le nombre de doigts et d'orteils réduit à cinq.

A la fin du Permien moyen (259.8 millions d'années)

En 2019, les biologistes Michael R. Rampino de l'Université de New York et du centre Goffard de la NASA et Shu-Zhong Shen de l'Université de Nanjing en Chine ont déclaré dans un article publié dans le journal "Historical Biology" qu'ils avaient mis en évidence une nouvelle extinction de masse survenue à la fin du Permien moyen ou Guadalupien, plus exactement à la fin du Capitanien il y a 259.8 millions d'années.

Cette sixième extinction de masse (dans l'ordre des découvertes) coïncide avec l'éruption basaltique massive qui s'est produite dans la province chinoise d'Emeishan située au sud du Sichuan (29°40' N, 103°30' E). Selon Rampino et Shen : "les éruptions massives telles que celles-ci libèrent de grandes quantités de gaz à effet de serre, en particulier du dioxyde de carbone et du méthane, qui provoquent un réchauffement climatique grave, avec des océans chauds et pauvres en oxygène qui ne favorisent pas la vie marine. [...] En raison du nombre de genres ayant souffert de l'extinction, et particulièrement en termes d'impact écologique. [...] l'extinction de la fin du Guadalupien entre dans la même catégorie que les autres extinctions de masse majeures. Ainsi, il y aurait eu six grandes extinctions massives au Phanérozoïque et la perte actuelle d’espèces devrait peut-être être qualifiée de « septième extinction »." On y reviendra à propos de la perte de biodiversité.

A la fin du Permien (252 millions d'années)

A la fin du Permien, il y a ~252 millions d'années, 96% des espèces ont disparu dont 95 à 98% des espèces d'invertébrés marins à coquilles et cette fois toutes les espèces de trilobites et environ 70% des espèces terrestres.

Cette extinction de masse fut surnommée "la grande mort" (great dying). Quelle en est la cause ? En fait, c'est une série de catastrophes qui sont à l'origine de cette hécatombe, "la mère de toutes les extinctions de masse" pour reprendre l'expression du paléobiologiste Douglas H.Erwin de l'Institut Smithsonian.

A cette époque, le taux d'oxygène atmosphérique atteignait 23% (en volume, contre 21% de nos jours) et le taux de CO2 atteignait 900 ppm (contre 416 ppm en 2019) tandis que le niveau moyen des mers était 20 mètres plus bas qu'aujourd'hui.

Des études pluridisciplinaires étalées sur plusieurs décennies ont révélé qu'il s'agit de la conséquence d'un changement climatique majeur combinant au moins 43 facteurs dont les effets se sont étalés sur plusieurs dizaines de milliers d'années :

- la présence de zircons datés de 252 à 250 millions d'années indique que la Terre subit l'impact de plusieurs grands météorites qui bouleversèrent la biosphère à l'échelle régionale voire globale pour les plus gros impacts. Mais ce n'est pas le principal facteur qui provoqua cette extinction massive.

- l'émission de gaz (F, S, CO2, C, hydrate de méthane, etc) à la même époque et l'analyse des isotopes de l'oxygène prisonniers des fossiles indiquent une forte augmentation de l'activité volcanique dont les traps de Sibérie sont les traces les plus marquantes comme le confirma l'étude de Stephen E. Grasby et ses collègues publiée en 2011 dans la revue "Nature". Il s'agit manifestement des effets d'un supervolcan combinés à un réchauffement et une aridification des sols. Ces gaz et en particulier le dioxyde de carbone éjecté dans l'atmosphère augmenta l'effet de serre et la masse nuageuse, obscurcissant durablement l'atmosphère. On estime que la température moyenne du globe augmenta de 5°C. On y reviendra plus loin.

A gauche, le Permien Moyen et la fin du Permien furent marqués par plusieurs extinctions successives d'ampleurs variables mais la dernière survenue il y a 252 millions d'années fut la plus destructrice, anéantissant jusqu'à 98% des espèces d'invertébrés marins à coquilles et environ 70% des espèces terrestres. Il fallut ensuite patienter 100 millions d'années pour que la biodiversité retrouve son niveau d'origine. Bien que le début du Trias fut instable sur le plan environnemental, au moins 7 embranchements et 20 ordres de métazoaires ainsi que des algues ont émergés. A droite, suite au réchauffement du climat (plus chaud de 5°C en moyenne avec des températures atteignant 60°C dans les régions équatoriales), dans beaucoup de régions les rivières et les lacs se sont taris et les paysages se sont aridifiés. Document Nathalie Huber adapté par l'auteur et WallpaperUp.

- Les bactéries méthanogènes se sont ensuite multipliées et ont émis globalement de grandes quantités de méthane, un puissant gaz à effet de serre. La température moyenne de l'atmosphère augmenta brutalement. Selon une étude publiée en 2012 dans la revue "Science" par Yadong Sun de l'Université de Leeds et son équipe qui étudièrent la composition de près de 15000 microfossiles de conodontes (a priori des dents de vertébrés marins mesurant entre 0.1-2 mm peut-être proche des anguilles), la température de l'air atteignit 60°C dans les régions équatoriales tandis que la température à la surface des océans approchait 40°C, tuant la plupart des organismes marins habitués à des températures de 15 à 30°C plus fraîches selon les endroits.

Sous ces fortes chaleurs, les roches sédimentaires ont à leur tour libéré leurs gaz dont le gaz carbonique qui piéga la chaleur et contribua au réchauffement de la planète. Les courants océaniques ont ralenti faisant chuter la production d'oxygène.

- Une étude publiée en 2018 dans les revues "Geology" et "Science Advances" concernant le taux d'uranium-238 et d'autres éléments (C-13, Sr-87, Sr-86) relevé dans les roches datant du Permien-Trias a permis d'inférer les niveaux d'oxygène dans l'océan. Jusqu'alors les scientifiques soupçonnaient que l'anoxie (le manque d'oxygène) était responsable de la disparition de la vie aquatique. Mais leurs données provenaient de mesures prises dans des roches marines qui se sont formées dans l'ancien océan Téthys, qui ne représentait qu'environ 15% de l'étendue des mers. Selon le géochimiste Feifei Zhang de l'Université de l'Arizona qui a dirigé la nouvelle étude, c'est à peine suffisant pour affirmer quoi que ce soit pour l'ensemble du domaine marin. En revanche, les chercheurs confirment que plusieurs périodes d'intenses et globales anoxies marines se sont produites durant l'extinction du Permien-Trias.

Dans leurs conclusions, les chercheurs estiment que les excès d'isotopes sont liés à une augmentation du volcanisme combinée à un réchauffement du climat qui auraient conduit à une intensification du lessivage des sols et une augmentation de la concentration des phosphates (PO43-) dans les océans, contribuant à l'eutrophisation des eaux. L'excès de nutriments marins qui en résulta combiné au réchauffement rapide auraient entraîné une anoxie générale, phénomène qui réduisit la solubilité de l'oxygène et le mélange vertical lié aux gradients thermiques dans la partie thermocline des océans (entre les eaux superficielles plus chaudes et oxygénées et les eaux profondes plus froides).

A gauche, du corail tabulaire disparut au Permien appartenant à un tout autre groupe que le corail actuel. A droite, des microfossiles de conodontes (a priori des dents d'une sorte d'anguille primitive) datant du Permien. Documents Jaime Murcia/Musée de Victoria et Paul Taylor/Natural Museumù (NHM).

- En parallèle, les océans se sont acidifiés suite aux émissions de gaz (dioxyde de carbone et acide sulfurique) par le supervolcan de Sibérie (cf. les analyses des isotopes stable du calcium et bore dont les résultats furent publiés respectivement en 2010 dans les "PNAS" et en 2015 dans la revue "Nature", tandis que dans les autres étendues liquides, l'eau a stagné, libérant du sulfure d'hydrogène (H2S) qui empoisonna toute la faune et la flore. Ce phénomène ayant duré plusieurs dizaines de milliers d'années, il empêcha les crustacés de former leur coquille. C'est leur inadaptation à ce changement climatique qui conduisit à leur extinction. Le même effet s'est produit lors de l'extinction majeure à la limite C/Pg il y a 66 millions d'années (voir plus bas).

Les traps de Sibérie

 Dans les années 1970 et 1980, des chercheurs anglais dont le spécialiste en pétrologie Adrian Jones de l'University College de Londres (ES/UCL) étudièrent les traps géologiques de Russie ou traps de Sibérie, une couche de quelques centimètres d'épaisseur formée par l'éruption d'une plume tectonique remontant à 250 millions d'années.

Situés entre 50-75°N et 60-120°E, aujourd'hui les traps de Sibérie recouvrent une superficie d'environ 2.5 millions de km2 et un volume qui pourrait atteindre 3 millions de km3. On estime que ces traps s'étendaient à l'origine sur 7 millions de km2.

Les plumes tectoniques ne sont pas des évènements rares. Depuis le Permien, la Terre enregistra l'émission d'au moins 8 plumes tectoniques dont la dernière fut celle du Yellowstone il y a 17 millions d'années. Elle forma le plateau basaltique de Columbia situé dans les États d'Orégon et de Washington puis elle se déplaça vers l'Ouest pour former la plaine de Snake River en Idaho et la fameuse Vallée de la Lune (Valley of the Moon dans le comté de Sonoma, à ne pas confondre avec la vallée du même nom située au Chili). Elle donna ensuite naissance à la grande éruption du Yellowstone il y a 650000 ans. C'est dire combien les retombées de ce type de volcanisme peuvent bouleverser une région et être catastrophiques pour toutes les espèces vivant dans un rayon pouvant atteindre 1000 km autour du volcan.

A lire : The Siberian Traps, R.Cowen (UCMP Berkeley)

Distribution et structures des traps de Sibérie formées à la limite Permien-Trias il y a 250 millions d'années. Document U.Bristol.

Par la même occasion les géologues recherchèrent en Russie le cratère d'impact éventuel qui aurait provoqué ces retombées. Mais bientôt on se rendit compte que pour anéantir autant d'êtres vivants, la météorite aurait dû être gigantesque afin de produire des effets persistants à l'échelle mondiale. En fait on estima qu'elle aurait dû être aussi grande que l'île de Manhattan, bref aussi grande qu'un petit astéroïde !

Selon des simulations informatiques, il put y avoir un impact mais il aurait été si violent que la croûte terrestre aurait localement fondu et le cratère original aurait été noyé sous la lave. Restait alors à trouver ces traces de lave... Or à ce jour les indices sont fragmentaires. Même les quantités de cristaux de quartz choqués ou d'iridium relevés en Antarctique, dans la couche du Permien, sont insuffisantes pour expliquer l'ampleur de cette catastrophe. Il fallait encore chercher.

Dans les années 1990, Paul Wignall et son équipe de l'Université anglaise de Leeds découvrirent au Groenland des sédiments remontant au Permien qui s'étalaient sur plusieurs mètres d'épaisseur et non plus sur quelques centimètres comme en Russie, ainsi que de très intéressants fossiles de toutes dimensions. Leur découverte fit la manchette des journaux et fut si sensationnelle qu'elle passionna les chercheurs. Elle apportait la preuve que l'extinction du Permien ne se déroula pas en un bref instant dans l'échelle du temps comme on l'imaginait, mais elle fut lente et dura bien plus de 10000 ans.

Au cours de l'extinction de masse du Permien, on constata que les fossiles s'éteignirent progressivement en trois phases distinctes. D'abord les plantes et les animaux disparurent durant 40000 ans, puis dans une seconde phase l'extinction s'étendit aux créatures marines et fut brève. Enfin, durant une troisième phase l'extinction repris sur la terre ferme : on perdit les espèces végétales et animales caractéristiques. Durée totale : au moins 80000 ans !

Les traps de Sibérie. Document U.Münster.

Du coup la théorie de l'impact météoritique devenait caduque et plus personne ne savait exactement ce qui s'était réellement produit au Permien. Il fallait continuer à analyser les sédiments.

On découvrit que le carbone-12 augmentait entre les phases 2 et 3. Le carbone-12 est connu pour se former lors de la décomposition des matières organiques animales ou végétales. Mais sa concentration était beaucoup plus élevée que prévu.

Un peu plus tard, un chercheur discuta de ses travaux en compagnie du géologue Gerald Dickens de l'Université de Rice au Texas. Dickens avait justement étudié l'hydrate de méthane et savait qu'il contenait beaucoup de carbone-12. D'origine organique on en retrouve un peu partout à travers le monde près des côtes.

Après enquête sur la transformation de l'hydrate de méthane en carbone-12, Dickens découvrit qu'un petit morceau de méthane gelé libérait énormément de carbone-12. La température de l'eau suffisait également à faire fondre le méthane, libérant le carbone-12. Après publication de ses résultats, Paul Wignall en eut connaissance et imagina quelle pouvait être l'influence du méthane sur le climat, sachant que cet élément était également un puissant gaz à effet de serre.

Wignall démontra que le dégagement de méthane suffisait pour réchauffer la planète de 4 à 5° mais était insuffisant pour tuer toutes les espèces vivantes. Il fallait alors trouver un évènement antérieur qui aurait également réchauffé l'atmosphère de 4 à 5°. Ensemble, les 10° d'augmentation auraient alors tué toutes les formes de vie.

On finit par trouver un scénario tout à fait plausible et confirmé par différents indices relevés sur le terrain. Sur des milliers de kilomètres à travers toute la Russie, les volcans se sont réveillés voici 250 millions d'années, formant les fameuses traps de Sibérie. La lave s'écoula et envahit les terres. C'était le premier tueur. Le réchauffement climatique était constant, jusqu'à 4-5°. Certaines espèces succombèrent. Puis la mer se réchauffa, entraînant la mort d'au moins 95% des invertébrés marins à coquilles et de tous les trilobites.

Puis un deuxième évènement se produisit : les eaux devenues plus chaudes libérèrent le tueur venu des profondeurs océaniques : le méthane. La libération du gaz à effet de serre accrût encore le réchauffement du globe de 4-5° pour atteindre à présent 10° d'augmentation ! Mais était-ce suffisant pour tuer des organismes ? Si cela se produisait aujourd'hui, les climatologues nous disent que l'Europe deviendrait un désert. Ok, c'est plutôt convaincant.

Du charbon de bois de combustion mis à jour suite à l'érosion des basaltes de Sibérie dans une carrière près de la ville d'Ust Ilimsk. Photo par Scott Simper, document L.Elkins-Tanton et al. (2020).

En 2019, Jun Shen et ses collègues publièrent dans la revue "Nature Communications" les résultats de l'analyse de la teneur en mercure de certaines roches datant de la limite Permien-Trias extraites de dix sections marines situées dans l'hémisphère nord. Leurs résultats renforcent l'hypothèse volcanique pour expliquer l'extinction de masse du Permien. Selon les auteurs, "les pics de concentration de mercure à proximité de la limite Permien-Trias suggèrent un couplage entre l'extinction biotique et l'augmentation de l'activité volcanique. De plus, les données isotopiques sur le mercure pour un sous-ensemble de ces sections fournissent des preuves qu'il s'agit de sources de mercure essentiellement atmosphériques plutôt que terrestres, reliant ainsi l'enrichissement en mercure à une activité volcanique accrue." Les chercheurs ont également découvert que les pics de mercure dans les sections d'eau peu profondes étaient presque synchrones avec l'extinction massive du Permien, tandis que les pics mesurés dans les sections d'eau profondes se produisaient des dizaines de milliers d'années avant l'extinction principale. Selon les auteurs, "cela put éventuellement contribuer à un retournement biotique global et à un prolongement de l'extinction de masse."

Après six années de recherches, une autre équipe scientifique dirigée par la planétologue Lindy Elkins-Tanton de l'Université d'Arizona apporta la toute première preuve directe que la combustion de charbon à grande échelle en Sibérie fut la principale cause de l'extinction du Permien. Les résultats de leurs travaux furent publiés dans la revue "Geology" en 2020.

Ainsi, après de longues années de recherche, la cause de l'extinction de masse du Permien a peut-être été identifiée : une activité volcanique inimaginable suivie par une acidification des océans et un réchauffement climatique fatals pour la plupart des espèces vivantes. Il faudra ensuite patienter plus de 80000 ans pour assister au début de l'ère des dinosaures.

Mais les géologues découvrirent qu'un être vivant avait survécu à cet enfer; l'herbisosaurus, un animal de la taille d'une vache et sans doute pas plus méchant, l'ancêtre de tous les mammifères, et donc de l'homme... Il réussit à s'accrocher à la vie lors de la plus grand catastrophe que la Terre ait jamais connue.

En résumé, à la fin du Permien l'évolution s'arrêta temporairement et revint pour ainsi dire 300 millions d'années en arrière. Il faudra ensuite patienter 100 millions d'années pour que la biodiversité retrouve son niveau d'origine. Les roches récoltées après cette extinction de masse ne contiennent plus aucun dépôt coralien ou récif coralien. Les coraux actuels appartenant à l'embranchement des Cnidaires (corail, méduse, etc.) sont donc tous apparus après l'extinction du Permien voire celle du Trias (voir ci-dessous).

Des forêts fossilisées en Antarctique

Malgré cette extinction de masse, des études récentes ont permis de découvrir qu'à l'époque du supercontinent Gondwana, à la fin Permien, l'Antarctique (qui était alors ~15° plus au nord, cf. cette mappemonde) abritait des écosystèmes florissants. Erik Gulbranson de l'Université du Wisconsin-Milwaukee et son équipe ont conduit fin 2017 une expédition en Antarctique (près Collinson Ridge par 85°13' S, 175°21' O et Graphite Peak par 85°03', 172°45' E) à la recherche de forêts fossilisées. A leur grand étonnement, ils ont découvert cinq forêts fossilisées qui auraient pu survivre à l'extinction du Permien, à l'image des forêts pétrifiées du parc de Yellowstone (200 millions d'années). En effet, les chercheurs ont également découvert un intervalle sédimentaire produit en même temps que l'intervalle d'extinction. Ils en ont déduit que ces nouvelles forêts fossiles auraient survécu à l'extinction de masse et représentent trois niches écologiques distinctes vieilles de 251 millions d'années.

A voir : Glossopetis Fossil

Les régions Antarctique du Promontoire McIntyre (gauche avec le prof. Erik Gulbranson) et de Graphite Peak (droite) où furent découverts en 2017 cinq forêts pétrifiées datant de 251 millions d'années. Documents Danny Uhlmann.

Les chercheurs ont constaté que les plantes du Permien ne ressemblent à aucune espèce vivante connue. L'anatomie comme la morphologie des plantes fossilisées dont celles du genre Glossopteris, des plantes ligneuses a priori caduques vivant il y a environ 300 à 200 millions d'années n'ont rien de commun avec les plantes modernes et paraissent très étranges. Cette découverte a mis en lumière l'urgence de la protection de la nature et de la biodiversité, au point que certains chercheurs évoquent déjà une 6e extinction. On y reviendra.

A la fin du Trias (200 millions d'années)

A la fin du Trias, il y a 200 millions d’années, 80% des espèces ont disparu. Parmi les fossiles datant de cette époque, on a découvert des tonnes de conodontes mesurant 0.25-2 mm comme on le voit sur la photo présentée un peu plus haut. Longtemps considérés comme des fragments de bivalves ou d'éponges, grâce à la découverte d'une mandibule complète en Ecosse dans les années 1980, on pense qu'il s'agit des microdents d'une espèce de vertébré proche de l'anguille.

Les conodontes sont l'une des première espèces dont la structure est constituée d'hydroxyapatite (Ca5(PO4)3(OH)), une espèce de minéral proche des phosphates riche en calcium qui assure encore aujourd'hui un rôle clé dans notre ossature et nos dents.

Parmi toutes les extinctions de masse, celle du Trias est la plus énigmatique car aucune cause apparente ne semble l'expliquer.

A la fin du Crétacé (66 millions d'années, limite C/Pg)

Une ammonite géante. Etant donné son poids, il s'agit d'une réplique d'un spécimen découvert à Lyme Regis, Inglaterra, dans le sud de l'Angleterre. Document anonyme (DR).

A la fin de l'ère Mésozoïque, à la limite C/Pg, il y a 66 millions d'années, une nouvelle extinction de masse se produisit : 76% des espèces ont disparu, mettant brutalement un terme à deux importants règnes : celui des dinosaures sur terre et des ammonites dans les mers dont on voit la réplique d'un spécimen géant à droite découvert dans le sud de l'Angleterre.

Ici également les raisons sont multiples. L'activité volcanique et les changements climatiques qui en découlèrent avaient déjà perturbé les biotopes et placés les ammonites notamment en état de stress. 

Mais c'est surtout l'impact d'un astéroïde de 10 à 20 km de diamètre au Mexique qui décima les dinosaures, permettant aux premiers petits mammifères d'occuper les nouvelles niches écologiques avec le succès que l'on sait. Quelques rares descendants des ancêtres des dinosaures (les oiseaux de la classe des Aves) et des ammonites (les nautiles) ont survécu.

Plus de 10000 nouvelles espèces apparurent après cet évènement. Un nouveau monde naquit dans lequel les mammifères allaient pouvoir s'épanouir, apprenant à lutter pour leur survie parmi une végétation luxuriante.

Au Pliocène-Pléistocène (5-2.5 millions d'années)

Il y a environ 2.6 millions d'années, on observa une extinction de masse dans les océans dont l'origine reste encore mystérieuse. Dans un article publié dans la revue "Astrobiology" (en PDF sur arXiv) en 2017, le physicien Adrian L. Melott de l'Université du Kansas et ses collègues annoncèrent la découverte de traces de fer-60 partout dans le monde remontant à une période comprise entre 2.5 et 10 millions d'années avec un pic il y a ~2.6 millions d'années.

Sachant que le fer-60 est un isotope produit au cours de l'explosion d'une supernova, les auteurs suggèrent qu'une supernova explosa à cette époque, c'est-à-dire durant l'Âge glaciaire. Cette émission proviendrait d'une supernova située à ~150 années-lumière qui illumina le ciel préhistorique pendant quelques semaines à quelques mois. En l'espace de quelques centaines d'années, bien après que la supernova ait perdu son éclat, un intense flot de rayons cosmiques aurait atteint le système solaire et frappé l'atmosphère de la Terre. On reviendra en détails sur les effets des rayons cosmiques sur la biosphère.

Selon Melott, les rayonnements émis par cette supernova et notamment le flux intense de rayons cosmiques (muons) provoqua un changement climatique sur Terre qui dura entre 10000 et 100000 ans à l'origine de l'extinction massive de grands animaux marins, y compris du Mégalodon, une espèce proche du requin blanc mais plus grand qu'un autobus (18 m de long avec une gueule de ~3 m de hauteur soit trois fois la taille d'un T.Rex). Les chercheurs estiment que cette irradiation à l'échelle planétaire aurait tué 36% des espèces de la mégafaune marine, principalement dans les eaux côtières où les animaux reçurent une plus forte dose de muons que ceux vivant dans les eaux profondes.

A gauche, le résidu de la supernova N63A situé dans le Grand Nuage de Magellan photographié par le Télescope Spatial Hubble. Le nuage moléculaire représente ~700 masses solaires et la région choquée photoionisée représente ~1500 masses solaires. A droite, illustration d'un Mégalodon. Il vécut entre 28-1.6 millions d'années. Documents NASA/ESA/STScI et anonyme.

En réponse à cette conclusion, en 2018 l'astrophysicien Brian Thomas de l'Université Washburn publia une article plus nuancé dans la même revue "Astrobiology" qui fut repris sur le site de la NASA qui finança l'étude. Thomas reconnaît qu'il y eut un changement dans la diversité des espèces et leur population durant cette même période (c'est aussi l'époque des Australopithèques africanus tardifs et des Homo habilis). Il suggère que deux supernovae situées entre 163 et 326 années-lumière de la Terre auraient explosé il y a ~2.5 millions d'années. L'explosion aurait provoqué une réduction d'environ 22% de la densité de la couche d'ozone en 100 ans, de 26% en 300 ans et de 17% en 1000 ans.

Toutefois Thomas refuse de conclure que ce type d'explosion aurait été délétère pour tous les organismes vivants car certaines espèces et notamment végétales n'ont subi aucun changement après cet évènement et ont même vu leur rendement augmenter comme le soja et le blé.

Reste à trouver le rémanent (SNR) ou le résidu (le coeur) de cette ou ces deux supernovae. Sur les quelque 400 SNR répertoriés (cf. le SNRcat), aucun ne se situe si près du Soleil (la plupart sont à quelques milliers d'années-lumière) et tous se sont formés assez récemment (moins de 500000 ans et même moins de 20000 ans). Mais même s'il en existe probablement quelques uns dans un rayon de 150 années-lumière, nous n'avons aucun moyen de savoir avec certitude s'il est à l'origine de l'extinction de masse du Pléistocène.

Sur le plan statistique, malgré la relative faible densité des étoiles dans la banlieue du Soleil (au coeur du bras d'Orion), au cours des derniers 500 millions d'années d'autres supernovae ont certainement explosé à proximité du Soleil. Mais rien n'indique que cela provoqua des effets délétères sur la Terre. Il est possible que leur rayonnement provoqua des mutations génétiques et des cancers en particulier chez les grands animaux ou les rendit stériles. Mais il est impossible d'affirmer qu'il existerait un lien entre les supernovae et le développement de la vie. Même les effets d'une violente éruption gamma solaire aurait peu d'effet si ce n'est de brûler certaines espèces de la faune et de la flore et de les contaminer avec quelques éléments radioactifs (Be-10, C-14, etc). En fait, si un petit surplus d'énergie pourrait accélérer et entretenir des réactions entre atomes et molécules prébiotiques, rien n'indique qu'il serait bénéfique pour des organismes vivants, que du contraire.

La prochaine extinction de masse

Si on considère une période de 100 millions d'années, il est très probable que la Terre subira une nouvelle extinction de masse, que soit suite à l'éruption d'un supervolcan, l'impact d'un astéroïde voire d'un mégatsunami. Si localement des espèces disparaîtront, il en faudra plus pour que l'humanité disparaisse. Mais certains se demandent toutefois si les espèces actuelles survivront à la 7e extinction qui leur semble inévitable, celle provoquée par l'homme et qui pourrait conduire à sa propre extinction plus rapidement qu'il le pense. On y reviendra dans l'article consacré au risque d'extinction de l'humanité.

La charge de carbone et les extinctions de masse

Les chiffres ne mentent pas : le monde se dirige vers une 7e extinction de masse et le point de non retour est prévu vers 2100. Telle est la conclusion étonnante à laquelle est parvenu le géophysicien et mathématicien Daniel Rothman du MIT dans un article publié dans la revue "Science Advances" en 2017 (à l'époque il évoquait une 6e extinction mais comme nous l'avons expliqué cette dernière fut découverte en 2019. On considère donc qu'il évoque la 7e extinction).

Rothman qui fut récompensé en 2015 pour son analyse mathématique du cycle du carbone, entreprit d'analyser les données disponibles concernant les cinq extinctions de masse et les combina aux résultats d'une modélisation climatique d'aujourd'hui afin d'en tirer des conclusions pour le futur. Son étude mérite d'être décrite car elle met en lumière une contribution aux extinctions de masse dont l'effet futur est inattendu.

Le cycle du carbone terrestre.

En commençant son étude, Rothman a fait l'hypothèse que toute extinction de masse serait caractérisée par une perturbation majeure du cycle de carbone normal terrestre. Une autre condition est l'échelle de temps : les perturbations du carbone et donc les extinctions, se sont déroulées sur des milliers voire des millions d'années.

Rothman a voulu savoir comment les mathématiques pouvaient décrire des évènements de cette ampleur en utilisant les variables des conditions actuelles où on observe une accumulation rapide de carbone qui a commencé très récemment en terme biologique et géologique.

Mais est-il tout d'abord réaliste de comparer des catastrophes écologiques majeures du passé qui se sont déroulées sur des périodes très étendues aux évènements qui se produisent aujourd'hui et échelonnés sur seulement un peu plus d'un siècle ? A cette question Rothman a répondu : "je me suis assis un jour d'été et j'ai essayé de réfléchir à la façon dont on pourrait s'en occuper systématiquement."

Il a donc commencé par classer les évènements liés au changement de concentration de carbone à long ou à court terme. Ensuite, il a parcouru des centaines de documents géochimiques pour trouver des traces de grandes perturbations du cycle du carbone terrestre. Il les a ensuite identifiées en mesurant les changements apparus dans l'abondance relative des deux isotopes du carbone-12 et du carbone-13. Pour chaque variation de rapport isotopique, il nota également la durée de l'évènement, exprimée en unité de temps qu'il fallut pour que le cycle du carbone revienne à l'équilibre.

Finalement, Rothman trouva 31 évènements correspondant à ses critères parmi lesquels les cinq extinctions de masse. Il fallut ensuite identifier les conditions caractérisant la vingtaine d'extinctions liées à des changement non catastrophiques du taux de carbone.

En résumé, Rothman développa une équation décrivant la masse totale de carbone qui fut ajoutée aux océans à chaque extinction. Il est alors devenu évident que ce changement dépendait d'un seuil que le système n'aimait pas franchir. La question était alors de comprendre ce que cela signifiait.

Selon Rothman, quatre des cinq (ou six) extinctions de masse dépassaient le seuil, le plus grand écart du rapport isotopique du carbone s'étant produit lors de l'extinction du Permien.

En tenant compte de cette donnée, Rothman modélisa le cycle du carbone comme étant en interaction cyclique avec la photosynthèse et la respiration et en tenant compte d'une variable de "fuite" : une certaine proportion de la masse totale de carbone s'est échappée au fil des années et fut séquestrée en grande partie dans le plancher océanique, s'éliminant efficacement de l'équation. A titre d'information, de nos jours environ 150000 gigatonnes de carbone sont ainsi stockés dans les sédiments au fond des mers.

A gauche, les roches sédimentaires de Meishan dans la province de Sichuan dans le sud de la Chine contiennent les signatures d'une perturbation du cycle du carbone précédant immédiatement la plus grande extinction de masse que connut la Terre. Document Shuzhong Shen. A droite, les lits du Permien-Trias découverts à Meishan. Document Shuzhong Shen adapté par l'auteur.

Le point critique de ce modèle est donc le taux auquel le carbone (comme le dioxyde de carbone) entre dans le système et le taux auquel il en sort à travers la séquestration. Selon Rothman, si l'écosystème global de la planète ne peut pas s'adapter suffisamment vite au changement, alors l'augmentation du taux de carbone atteint un excès et franchit le seuil de non retour pendant de longues périodes de temps. En revanche, sur des périodes plus courtes, le taux d'excès de production de carbone n'a pas d'importance. Dans ce cas, l'ampleur globale du changement joue un facteur déterminant.

Dans les circonstances actuelles, Rothman conclut que le seuil prélude à une 7e extinction sera franchi lorsque la quantité de carbone absorbée par les océans - une quantité supérieure au seuil de fuite du carbone séquestré - atteindra 310 gigatonnes. Selon les experts du climat du GIEC, les simulations prédisent que d'ici 2100 la charge de carbone net de l'océan augmentera à hauteur de 300 gigatonnes. Pire, tout autre scénario aboutit à des valeurs sensiblement supérieures. Ainsi, selon la thèse publiée en 2019 par une équipe de chercheurs australiens du Breakthrough National Centre for Climate Restoration (11 pages à télécharger en PDF), en raison du changement climatique, l'humanité pourrait disparaitre en 2050. Heureusement qu'ils l'ont mis au conditionnel car personne ne croit sérieusement à leur thèse catastrophiste. En revanche, elle peut donner matière à réfléchir à nos politiciens.

Pour sa part, Rothman précise que si le seuil de l'extinction majeure est atteint, la catastrophe ne se déroulera pas soudainement en l'an 2101. Au lieu de cela, le processus pourrait prendre jusqu'à 10000 ans.

Mais comme il le souligne, même si la catastrophe ne survient pas demain, ce n'est pas un prétexte pour ne pas réagir dès aujourd'hui; on connait le risque, on peut donc y remédier. "Si on laisse le cycle du carbone sans contrôle, il va se transformer en un royaume qui ne restera plus longtemps stable et qui se comportera d'une manière difficile à prédire. Dans le passé géologique, ce type de comportement fut associé à une extinction massive." A nous de prendre les bonnes décisions pour éviter ce scénario catastrophe.

Prochain chapitre

Une extinction pour cause naturelle

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[1] D.M. Raup, “Extinction: Bad genes or bad luck”, W.W.Norton, 1991.


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