Pendant la saison sèche, l’eau qui s’évapore laisse des cristaux de trona qui se développent sur le lit du lac Magadi, le lac le plus au sud de la vallée du Rift au Kenya. Une plateforme de forage utilisée dans l’étude domine le lit du lac asséché. Crédit : Andrew Cohen/Université de l’Arizona
La combinaison des enregistrements des changements climatiques au cours des 3,5 derniers millions d’années avec les preuves fossiles des mammifères en Afrique a révélé que les périodes de changements climatiques erratiques ne sont pas suivies de changements évolutifs importants.
Une nouvelle étude qui combine les données de température avec les archives fossiles des grands mammifères qui existaient en Afrique au cours des 4 millions d’années précédentes remet en question une théorie de longue date selon laquelle les changements climatiques répétés étaient des moteurs importants de l’évolution des mammifères, y compris les ancêtres de l’homme.
Publié récemment dans le journal Proceedings of the National Academy of Sciencesl’étude fournit une synthèse à l’échelle du continent africain de la variabilité environnementale au cours du Plio-Pléistocène, une période de l’histoire de la Terre qui s’étend approximativement sur les 5 derniers millions d’années et comprend la dernière période glaciaire il y a environ 20 000 ans.
Cycles de Milankovitch décrivent les effets collectifs des changements des mouvements de la Terre sur son climat pendant des milliers d’années. Le terme est nommé d’après Milutin Milanković, un géophysicien et astronome serbe.
Selon la nouvelle étude, la variabilité environnementale au cours de cette période reflète les changements d’orbite et d’orientation de la Terre par rapport au soleil, comme le prévoit un phénomène naturel connu sous le nom de cycles de Milankovic. Ces cycles exposent notre planète à des intensités variables de rayonnement solaire, ce qui entraîne des effets cycliques bien documentés sur le climat de la Terre à diverses fréquences.
Les chercheurs ont observé une tendance à long terme d’augmentation de la variabilité environnementale en Afrique, attribuable aux variations du volume global des glaces et de la température des océans. Les résultats n’ont toutefois pas permis d’établir une corrélation significative entre la variation environnementale et les taux d’apparition ou d’extinction des espèces, ce qui suggère que la variabilité environnementale et le renouvellement des espèces ne sont peut-être pas étroitement liés, une notion qui a été largement débattue dans la communauté scientifique.
L’idée que les tendances à long terme vers un climat plus humide ou plus sec ont pu être un moteur de l’évolution humaine remonte à l’époque de Charles Darwin, selon le premier auteur de l’article, Andrew Cohen, professeur distingué de l’Université de l’Arizona au département des géosciences et au département d’écologie et de biologie évolutive. Un changement majeur est intervenu à la fin des années 1990, avec l’introduction dans la communauté scientifique de l’hypothèse influente de la sélection de la variabilité.
Des ouvriers utilisent un appareil de forage pour collecter des échantillons de sédiments lacustres en profondeur. Crédit : Andrew Cohen/Université de l’Arizona
“L’idée ici est que ce n’est pas seulement la direction du changement climatique qui était importante en tant que moteur de la nouveauté évolutive dans la lignée des hominines, mais la variabilité des conditions environnementales et climatiques”, a expliqué Cohen. “Comme nos ancêtres étaient confrontés à des conditions qui changeaient rapidement, cette hypothèse suggère qu’ils devaient être plus ingénieux et capables de faire face à de nombreuses éventualités différentes, ce qui, à son tour, a conduit à l’apparition de nouvelles espèces alors que d’autres s’éteignaient.”
Dans l’étude actuelle, les chercheurs ont analysé des échantillons prélevés dans des carottes de sédiments provenant de lits de lacs, de fonds océaniques et d’affleurements terrestres provenant de 17 endroits du continent africain et des régions avoisinantes. Les données environnementales ont été obtenues en analysant les enregistrements de pollens, d’algues fossilisées, de poussières, de cires de feuilles, d’isotopes du sol et d’autres propriétés physiques qui fournissent des indices sur les types de végétation et les conditions environnementales du site où ils ont été déposés. Pour combiner les données provenant de ces types d’enregistrements très différents et dégager le schéma sous-jacent de la variabilité climatique, Cohen a déclaré que l’équipe devait surmonter un défi majeur : comment quantifier la variabilité et la comparer d’un lieu d’échantillonnage à l’autre.
“Ce n’est pas trivial parce que vous avez d’un côté des enregistrements de choses comme le pollen fossile qui vous disent à quel point la végétation était variable, d’autres qui vous parlent des changements de niveaux des lacs, d’autres encore qui vous parlent de la poussière soufflée sur l’océan”, a-t-il dit. “Il nous fallait un moyen de ne pas nous contenter d’un seul enregistrement, mais d’empiler tous ces différents types de référence qui nous permettent de démêler le rythme de la variabilité.”
Mammifères éteints,semblables à ces gnous photographiés à un point d’eau dans le parc national du Serengeti, dans le nord de la Tanzanie, parcouraient autrefois le continent africain et ont laissé derrière eux une pléthore de fossiles. Crédit : Andrew Cohen/Université d’Arizona
Pour ce faire, les chercheurs ont mis au point des méthodes statistiques qui leur ont permis de “comparer des pommes et des oranges”, a expliqué M. Cohen, et ont attribué les points de données climatiques à des “tranches” de périodes de temps comprenant 20 000, 100 000 et 400 000 ans. Une fois que les ensembles de données individuels des scores de variabilité dans chaque bac ont été normalisés, l’équipe a pu les “empiler” et calculer une quantité moyenne de variabilité pour chaque période de temps.
Les données climatiques ont ensuite été directement comparées aux archives fossiles des grands mammifères – principalement des bovidés, une famille qui comprend les antilopes et d’autres grands herbivores – d’Afrique orientale. Les chercheurs se sont concentrés sur les grands herbivores principalement parce que les fossiles des ancêtres de l’homme sont trop rares pour être utiles dans une telle approche.
“Nous avons donc décidé de nous intéresser à d’autres organismes dont les fossiles sont mieux conservés, car il n’y a aucune raison de penser que seuls nos plus proches parents, nos ancêtres hominines, soient affectés par le changement et la variabilité climatiques.
“Si la variabilité climatique est un moteur important de l’évolution, elle devrait l’être aussi pour d’autres grands mammifères”, a-t-il ajouté. “Pensez, par exemple, aux ours polaires et à la façon dont ils sont affectés par le changement climatique actuel.”
Les auteurs ont utilisé une méthode empruntée à la biologie moderne des populations sauvages pour tenir compte d’un biais qui a longtemps tourmenté les paléontologues : l’incomplétude inhérente du registre fossile, que le deuxième auteur de l’étude, Andrew Du, illustre avec un bloc de fromage suisse. Si l’on forait une carotte à travers le fromage, il y aurait des trous à l’endroit où la carotte a touché un trou dans le fromage. De la même manière, le registre fossile d’une espèce présente des lacunes – des périodes pendant lesquelles aucun fossile n’a été trouvé – entrecoupées de périodes pendant lesquelles il y a des fossiles. Il est donc très difficile d’établir exactement quand une espèce est apparue dans les archives fossiles et quand elle s’est éteinte.
Pour contourner cette limitation, Du a appliqué une technique connue sous le nom de capture, marquage et recapture, qui est fréquemment utilisée par les biologistes de la faune lorsqu’ils étudient les populations animales : Après avoir capturé un animal, on le marque pour l’identifier et on le relâche dans la nature. Lors d’une enquête ultérieure, les scientifiques comparent la proportion d’animaux marqués et non marqués. En appliquant des statistiques, cela leur permet de se faire une idée de la taille et de la structure de la population dans son ensemble.
Du, professeur adjoint au département d’anthropologie et de géographie de l’université d’État du Colorado, a expliqué comment cette technique fonctionne dans les systèmes fossiles.
“Disons que nous voyons l’apparition d’une nouvelle espèce dans les archives fossiles à la première période, puis nous trouvons un fossile différent de la même espèce à la deuxième période, nous le manquons à la troisième période, mais nous le voyons à nouveau à la quatrième période”, a-t-il dit. “Ce que cela nous dit, c’est que même si nous n’avons pas vu l’espèce à la période trois, nous savons qu’elle était là. Cela nous donne une idée de la qualité du registre fossile pendant certaines périodes, et nous pouvons tenir compte de cette qualité lorsque nous estimons les taux de spéciation et d’extinction.”
En rassemblant tous ces ensembles de données, les chercheurs ont pu comparer les modèles de variabilité environnementale et leur relation avec les taux d’apparition et d’extinction des espèces de mammifères.
“Dans l’ensemble, il y a eu une tendance à long terme au cours des 3,5 derniers millions d’années d’augmentation de la variabilité de l’environnement”, a-t-il déclaré. “Cette tendance suit l’augmentation de la variabilité du volume global de glace et des températures de surface de la mer autour de l’Afrique. Superposée à cela, nous avons trouvé une autre tendance : Une fois que nous sommes entrés dans les périodes glaciaires, nous voyons plus de hauts et de bas ; les ondulations deviennent de plus en plus grandes, reflétant la croissance et le déclin des couches de glace, et cette variabilité suit les cycles de Milankovic de 400 000 ans.”
Pendant ce temps, le registre fossile de l’apparition et de l’extinction des espèces parmi les grands herbivores, ainsi que les fossiles d’hominidés, semblent être déconnectés de ces tendances de variabilité climatique. Bien que les auteurs reconnaissent que l’hypothèse de la sélection de la variabilité pourrait encore être correcte mais opérant à des échelles différentes, ils espèrent encourager la communauté scientifique à réfléchir à l’hypothèse de la sélection de la variabilité d’une manière plus critique, “plutôt que de l’accepter simplement comme un principe sous-jacent de la façon dont nous examinons les archives fossiles en Afrique, et en particulier les archives fossiles humaines”, a déclaré Cohen.
“Nous n’avons pasdire que la variabilité environnementale n’est pas importante pour l’évolution humaine, mais les données que nous avons actuellement compilées sont tout à fait incompatibles avec cette idée”, a-t-il déclaré. “Si la variabilité environnementale était aussi importante qu’on le prétend, nous nous attendrions à voir cette tendance à long terme d’augmentation de la variabilité se refléter dans le renouvellement évolutif de toutes sortes d’espèces, y compris les hominines, mais ce n’est pas le cas.”
Référence : “La variabilité environnementale du Plio-Pléistocène en Afrique et ses implications pour l’évolution des mammifères” par Andrew S. Cohen, [email protected], Andrew Du, John Rowan, Chad L. Yost, Anne L. Billingsley, Christopher J. Campisano, Erik T. Brown, Alan L. Deino, Craig S. Feibel, Katharine Grant, John D. Kingston, Rachel L. Lupien, Veronica Muiruri, R. Bernhart Owen, Kaye E. Reed, James Russell et Mona. Reed, James Russell et Mona Stockhecke, 11 avril 2022, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2107393119
