Les mégalodons ne sont connus que par les dents qu’ils ont laissées derrière eux. Ici, une dent de mégalodon (à gauche) est comparée à une dent de grand requin blanc. Chaque pouce de dent correspond à environ 10 pieds de longueur : 20 pieds pour la dent de grand requin blanc de 2 pouces et 60 pieds pour la dent de megalodon de 6 pouces. Enrobées d’un émail dur comme la pierre, les dents se conservent plus facilement que les os, sans parler du squelette cartilagineux du requin. Les dents de requin sont l’un des types de fossiles les plus abondants, car les requins existent depuis plus de 400 millions d’années et les prédateurs grandissent et perdent constamment des dents, de sorte que chaque requin produit des milliers de dents au cours de sa vie. Crédit : iStock.co
Les requins mégatoïdes, les plus grands requins ayant jamais existé, étaient également les plus grands prédateurs apex jamais mesurés, selon une nouvelle étude de Princeton.
Selon une nouvelle étude de Princeton, les anciens requins mégatoïdes – les plus grands requins jamais connus – étaient des prédateurs apex au plus haut niveau jamais mesuré.
Emma Kast, titulaire d’un doctorat de Princeton et actuellement à l’Université de Cambridge, est le premier auteur d’un nouvel article publié dans le journal. Science Advances. L’article était à l’origine un chapitre de sa thèse de 2019. Crédit : Sameer A. Khan/Fotobuddy
Les requins mégatoïdes sont nommés pour leurs énormes dents, dont certaines peuvent être aussi grandes qu’une main humaine. Le groupe comprend de nombreuses espèces étroitement liées ainsi que Megalodon, le plus grand requin ayant jamais vécu.
Alors que les requins de différents types ont vécu pendant plus de 400 millions d’années, bien avant l’extinction des dinosaures, ces requins mégatoïdes sont apparus après la disparition des dinosaures et ont contrôlé les eaux jusqu’à il y a environ 3 millions d’années.
“Nous avons l’habitude de considérer les plus grandes espèces – les baleines bleues, les requins-baleines, même les éléphants et les diplodocuses – comme des filtreurs ou des herbivores, et non comme des prédateurs”, a déclaré Emma Kast, titulaire d’un doctorat en géosciences en 2019, qui est le premier auteur d’une nouvelle étude récemment publiée dans la revue… Science Advances. “Mais Megalodon et les autres requins mégatoïdes étaient véritablement d’énormes carnivores qui mangeaient d’autres prédateurs, et Meg s’est éteint il y a seulement quelques millions d’années.”
Son conseiller Danny Sigman, professeur Dusenbury de sciences géologiques et géophysiques à Princeton, a ajouté : “Si le Megalodon existait dans l’océan moderne, il modifierait profondément l’interaction des humains avec l’environnement marin.”
Megalodon et certains de ses prédécesseurs se trouvaient tout en haut de la chaîne alimentaire préhistorique, ou ce que les scientifiques appellent le plus grand “niveau trophique”, selon les nouvelles preuves apportées par une équipe de chercheurs de Princeton. Les chercheurs affirment qu’en raison de leur signature trophique élevée, ils ont dû consommer d’autres prédateurs et des prédateurs de prédateurs dans un réseau alimentaire complexe.
“Les réseaux alimentaires océaniques ont tendance à être plus longs que la chaîne alimentaire herbe-cerf-loup des animaux terrestres parce que vous commencez avec de si petits organismes”, a déclaré Kast, maintenant à l’Université de Cambridge, qui a écrit la première itération de cette recherche comme un chapitre de sa thèse. “Pour atteindre les niveaux trophiques que nous mesurons chez ces requins mégatoïdes, nous n’avons pas seulement besoin d’ajouter un niveau trophique – un prédateur apex au sommet de la chaîne alimentaire marine – nous devons en ajouter plusieurs au sommet du réseau alimentaire marin moderne.”
Le Megalodon a été estimé de manière conservatrice à 15 mètres de long – 50 pieds – alors que les grands requins blancs modernes culminent généralement autour de cinq mètres (15 pieds).
En mesurant les isotopes d’azote dans les dents des requins, Kast, Sigman et leurs collègues ont pu tirer des conclusions sur l’ancien réseau alimentaire marin. Les écologistes savent depuis longtemps que le niveau trophique d’un organisme augmente en fonction de la quantité d’azote-15 qu’il contient, mais les chercheurs n’ont jamais pu détecter les infimes quantités d’azote qui ont été stockées dans la couche d’émail des dents de ces prédateurs préhistoriques.
“Nous disposons d’une série de dents de requins de différentes périodes et nous avons pu déterminer leur niveau trophique en fonction de leur taille”, a déclaré Zixuan (Crystal) Rao, étudiant diplômé du groupe de recherche de Sigman et co-auteur de l’article actuel.
Le cannibalisme est l’un des moyens d’ajouter un ou deux niveaux trophiques supplémentaires, et plusieurs éléments de preuve l’indiquent, tant chez les requins mégatoïdes que chez d’autres prédateurs marins préhistoriques.
La machine à remonter le temps de l’azote
Sans machine à remonter le temps, il n’y a pas de moyen facile de recréer les réseaux alimentaires des créatures éteintes ; très peu d’os ont survécu avec des marques de dents qui disent, “J’ai été mâché par un énorme…”.requin”.
Le professeur Danny Sigman a passé des décennies à développer des techniques de plus en plus raffinées pour extraire et mesurer les rapports isotopiques de l’azote à partir de traces fossiles, qui révèlent si l’organisme se trouvait en haut, au milieu ou en bas de la chaîne alimentaire. Aujourd’hui, avec l’aide de forets de dentiste et de microbes spécialement conçus, son équipe a déterminé que le Megalodon et ses congénères étaient des prédateurs apicaux au niveau trophique (réseau alimentaire) le plus élevé jamais mesuré. Crédit : Laura Pedrick, Département des géosciences
Heureusement, Sigman et ses collègues ont passé des décennies à créer des techniques alternatives basées sur la compréhension que les niveaux d’isotopes d’azote dans les cellules d’une créature indiquent si elle se trouve au sommet, au milieu ou à la base d’une chaîne alimentaire.
“Toute l’orientation de mon équipe de recherche consiste à rechercher de la matière organique chimiquement fraîche, mais physiquement protégée, y compris l’azote, dans les organismes du passé géologique lointain”, a déclaré Sigman.
Quelques plantes, algues et autres espèces situées au bas de la chaîne alimentaire sont passées maîtres dans l’art de transformer l’azote de l’air ou de l’eau en azote dans leurs tissus. Les organismes qui les consomment incorporent ensuite cet azote dans leur corps et, chose importante, ils excrètent de préférence (parfois par l’urine) une plus grande quantité de l’isotope léger de l’azote, N-14, que de son cousin plus lourd, N-15.
En d’autres termes, le N-15 s’accumule, par rapport au N-14, à mesure que l’on monte dans la chaîne alimentaire.
D’autres chercheurs ont utilisé cette approche sur des créatures du passé récent – les 10-15 derniers millénaires – mais il ne restait pas assez d’azote dans les animaux plus anciens pour le mesurer, jusqu’à présent.
Pourquoi ? Les tissus mous comme les muscles et la peau ne sont pratiquement jamais conservés. Pour compliquer les choses, les requins n’ont pas d’os – leur squelette est fait de cartilage.
Mais les requins ont un ticket d’or pour les archives fossiles : les dents. Les dents se conservent plus facilement que les os parce qu’elles sont recouvertes d’émail, un matériau dur comme la pierre et pratiquement insensible à la plupart des bactéries de décomposition.
“Les dents sont conçues pour être chimiquement et physiquement résistantes afin de pouvoir survivre dans l’environnement très réactif chimiquement de la bouche et briser les aliments qui peuvent avoir des parties dures”, explique Sigman. En outre, les requins ne se limitent pas à la trentaine de dents que possèdent les humains. Ils font constamment pousser et perdre des dents – les requins des sables modernes perdent en moyenne une dent par jour pendant leur vie de plusieurs décennies – ce qui signifie que chaque requin produit des milliers de dents au cours de sa vie.
“Quand vous regardez les archives géologiques, l’un des types de fossiles les plus abondants sont les dents de requin”, a déclaré Sigman. “Et dans les dents, il y a une minuscule quantité de matière organique qui a été utilisée pour construire l’émail des dents – et qui est maintenant piégée dans cet émail.”
Comme les dents de requin sont si abondantes et si bien conservées, les signatures d’azote dans l’émail permettent de mesurer le statut dans le réseau alimentaire, que la dent soit tombée de la bouche d’un requin il y a des millions d’années ou hier.
Même la plus grande dent n’a qu’une fine enveloppe d’émail, dont le composant azoté ne représente qu’une infime trace. Mais l’équipe de Sigman a mis au point des techniques de plus en plus raffinées pour extraire et mesurer ces rapports isotopiques de l’azote, et avec un peu d’aide des forets des dentistes, des produits chimiques de nettoyage et des microbes qui convertissent finalement l’azote de l’émail en nitrous oxide, they’re now able to precisely measure the N15-N14 ratio in these ancient teeth.
The megatooth sharks (genus Otodus) got larger over time. At the bottom is their ancestor Cretalamna, who lived about 50 million years ago and was comparable in size to a modern great white shark. From the bottom: Cretalamna (3.5 meters long), O. obliquus (8 m), O. auriculatus (9.5 m), O. angustidens (11.5 m), O. chubutensis (13.5 m), O. megalodon (15 m). Credit: Christina Spence Morgan
“We’re a little bit like a brewery,” he said. “We grow microbes and feed our samples to them. They produce nitrous oxide for us, and then we analyze the nitrous oxide they produced.”
The analysis requires a custom-built, automated nitrous oxide preparation system that extracts, purifies, concentrates, and delivers the gas to a specialized stable isotope ratio mass spectrometer.
“This has been a multiple-decades-long quest that I’ve been on, to develop a core method to measure these trace amounts of nitrogen,” Sigman said. From microfossils in sediments, they moved on to other types of fossils, like corals, fish ear bones, and shark teeth. “Next, we and our collaborators are applying this to mammalian teeth and dinosaur teeth.”
A deep dive into the literature during lockdown
Early in the pandemic, while her friends were making sourdough starters and bingeing Netflix, Kast pored through the ecologic literature to look for nitrogen isotope measurements of modern marine animals.
“One of the cool things that Emma did was really dig into the literature — all the data that’s been published over decades — and relate that to the fossil record,” said Michael (Mick) Griffiths, a paleoclimatologist and geochemist at William Patterson University and a co-author on the paper.
Harry Maisch of Florida Gulf Coast University, whose hand is holding this Megalodon tooth, gathered many of the samples used in this analysis and is a co-author of the new paper. Credit: Harry Maisch
As Kast was quarantined at home, she painstakingly built up a record with more than 20,000 marine mammal individuals and more than 5,000 sharks. She wants to take things much further. “Our tool has the potential to decode ancient food webs; what we need now is samples,” said Kast. “I’d love to find a museum or other archive with a snapshot of an ecosystem — a collection of different kinds of fossils from one time and place, from forams near the very base of the food web to otoliths — inner ear bones — from different kinds of fish, to teeth from marine mammals, plus shark teeth. We could do the same nitrogen isotope analysis and put together the whole story of an ancient ecosystem.”
In addition to the literature search, their database includes their own samples of shark teeth. Co-author Kenshu Shimada of DePaul University connected with aquariums and museums, while co-authors Martin Becker of William Patterson University and Harry Maisch of Florida Gulf Coast University gathered megatooth specimens on the sea floor.
“It’s really dangerous; Harry’s a dive master, and you really need to be an expert to get these,” said Griffiths. “You can find little shark teeth on the beach, but to get the best-preserved samples, you need to go down to the bottom of the ocean. Marty and Harry have collected teeth from all over the place.”
He added: “It’s been a really collaborative effort to obtain the samples to pull this together. In general, collaborating with Princeton and other regional universities is really exciting because the students are amazing and my colleagues there have been really great to work with.”
Alliya Akhtar, a 2021 Ph.D. graduate from Princeton, is now a postdoctoral researcher in Griffiths’ lab.
“The work I did for my dissertation (looking at isotopic composition of seawater) posed as many questions as it answered, and I was incredibly grateful to have the opportunity to continue working on some of these with a collaborator/mentor I respect,” Akhtar wrote in an email. “I’m most excited about all the work that is still to be done, all the mysteries yet to be solved!”
The study was funded by the Scott Fund of the Department of Geosciences, Princeton University, by grants from the National Science Foundation Sedimentary Geology and Paleobiology (1830581 to M.L.G. and M.A.B.; 1830638 to R.A.E.; 1830480 to S.L.K.; and 1830858 to K.S.), the European Research Council Consolidator Grant Agreement 681450 (to J.N.L., awarded to T. Tütken), the Max Planck Society (to A.M-G. and G.H.H.), and the American Chemical Society Award, Petroleum Research Fund Undergraduate New Investigator Grant, PRF #54852-UNI2 (to M.L.G.).
Reference: “Cenozoic megatooth sharks occupied extremely high trophic positions” by Emma R. Kast, Michael L. Griffiths, Sora L. Kim, Zixuan C. Rao, Kenshu Shimada, Martin A. Becker, Harry M. Maisch, Robert A. Eagle, Chelesia A. Clarke, Allison N. Neumann, Molly E. Karnes, Tina Lüdecke, Jennifer N. Leichliter, Alfredo Martínez-García, Alliya A. Akhtar, Xingchen T. Wang, Gerald H. Haug and Daniel M. Sigman, 22 June 2022, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abl6529
