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La nuit tombe au début du Jurassique il y a 185 millions d'années, et le Kayentatherium tend à sa couvée nouvellement éclos. De fortes pluies frappent la banque au-dessus de sa tanière alors qu'elle regarde par-dessus ses dizaines de tout petits. Elle a à peu près la taille d'un gros chat et pourrait facilement passer pour un mammifère, mais sa grosse mâchoire, ses dents caractéristiques et son manque d'oreilles externes la trahissent: c'est une cynodonte, membre du groupe à partir duquel les mammifères ont évolué. À un moment donné sans avertissement, la rive détrempée s'effondre, ensevelissant les nouveau-nés et leur mère dans la boue.
Ils y restèrent jusqu'à l'été 2000, lorsqu'un équipage de chasseurs de fossiles dirigé par Timothy Rowe de l'Université du Texas à Austin trouva par hasard sur leurs os éparpillés parmi les rochers de la formation de Kayenta, dans le nord de l'Arizona.
Cette première rencontre avec les fossiles n'a guère impressionné les paléontologues. Ils ont déterré le bloc et l'ont renvoyé au laboratoire pour le mettre en sécurité. Ce n’est que neuf ans plus tard qu’un spécialiste préparant le fossile à l’étude a remarqué quelque chose de surprenant: de minuscules dents et des mâchoires d’un centimètre de long. «Immédiatement, ils ont arrêté la préparation et ont réfléchi aux moyens d’examiner les bébés de manière non destructive», explique Eva Hoffman, du Texas avec Rowe à l’époque et aujourd'hui paléontologue au musée américain d’histoire naturelle de New York. Au lieu de pénétrer dans la roche, Hoffman et Rowe ont extrait les os numériquement à l'aide d'un scanner de tomographie à micro-ordinateur (microCT), qui utilise les rayons X pour créer des images 3D à grain fin.
Ce qu’ils ont trouvé à l’intérieur de la roche sont les premiers bébés connus de mammifères ou de membres de leur famille du Jurassique – et pas seulement un, mais 38 d'entre eux, ce qui en fait l'une des découvertes les plus significatives relatives aux origines des mammifères réalisées au cours de la dernière décennie.. Kayentatherium est à la limite d'un mammifère – et les chercheurs disent qu'il fournit des informations cruciales sur les traits qui définissent les mammifères et sur ceux qui étaient présents dans leurs ancêtres.
KayentatheriumLe squelette ressemble à un mammifère à bien des égards, mais le fossile a suggéré qu’il se reproduisait encore beaucoup comme un reptile, donnant naissance à de grandes portées de progénitures de petite cervelle. En revanche, «les mères mammifères investissent beaucoup dans un petit nombre de bébés, chacun ayant une meilleure chance de survivre», dit Hoffman. Les bébés mammifères passent plus de temps sous les soins de leurs parents, développant des cerveaux relativement gros, alors que ces nouveau-nés fossiles ont des os et des dents bien développés, suggérant qu’ils peuvent se débrouiller seuls et ne sont pas nourris au lait, comme le sont tous les mammifères.
La découverte fait partie d'une masse de découvertes au cours des 10 à 20 dernières années qui constituent des jalons éclairants de l'évolution des mammifères. Bien que des découvertes majeures émergent partout dans le monde, le plus grand nombre provient de Chine; ensemble, ils ont renversé la croyance désormais dépassée selon laquelle les mammifères de l'ère des dinosaures étaient de petits insectivores anodins, menant une vie à l'ombre des reptiles géants.
Les fossiles ont révélé que les premiers mammifères étaient diversifiés sur le plan écologique et effectuaient des expériences de vol à voile, de nage, de fouissage et d'escalade. Les découvertes commencent également à révéler les origines évolutives de nombreux traits caractéristiques des mammifères – tels que la lactation, les grands cerveaux et les sens aiguisés.
«L'explosion des découvertes de mammifères primitifs, en particulier en Chine, au cours des deux dernières décennies a été une révélation révélatrice, angoissante et totalement éblouissante», déclare David Krause, paléontologue vertébré du musée de la nature et des sciences de Denver, au Colorado.
Cette avalanche de découvertes suscite également un débat: certains chercheurs ne sont pas d’accord sur les groupes de fossiles qui sont de vrais mammifères et sur la forme de l’arbre généalogique des mammifères. «Nous voulons comprendre nos débuts dans le langage de la biologie de l’évolution, et c’est ce qui m’enthousiasme», déclare Zhe-Xi Luo, paléontologue à l’Université de Chicago, dans l’Illinois. "C’est pourquoi tout ce gisement est si intéressant, car les archives fossiles s’améliorent de mieux en mieux et nous commençons à vraiment nous attaquer à certaines de ces questions."
Sortir de l'ombre
En 1824, à la Geological Society of London, le naturaliste William Buckland présenta des os d'un des premiers dinosaures connus. Megalosaurus. Lors de la même conversation, il a révélé de minuscules mâchoires de mammifère trouvées dans le même gisement de fossile. Leur présence suggère que les mammifères ont une histoire très profonde, mais comme cela se produirait à plusieurs reprises, les découvertes de dinosaures ont complètement occulté celles des mammifères.
Le filet lent de découvertes de mammifères du monde entier s'est poursuivi pendant 150 ans. Puis en 1997, des chercheurs ont décrit le premier mammifère ancien issu des roches riches en fossiles du Liaoning, dans le nord-est de la Chine.et les vannes ouvertes. Depuis lors, au moins cinquante «beaux spécimens» presque complets ont été découverts dans cette région, selon Jin Meng, paléontologue du Musée américain d'histoire naturelle. Comme les fossiles de dinosaures, ils sont déterrés par des agriculteurs locaux et vendus à des musées.
Mais les dinosaures ont continué à attirer la plus grande partie de l’attention, explique le paléontologue Steve Brusatte de l’Université d’Edimbourg, au Royaume-Uni. "Ce n’est que très récemment, grâce au travail de Luo, Meng et d’autres, que les mammifères obtiennent ce qu’ils méritent."
La plupart des fossiles de mammifères chinois ont été formés lorsque les volcans ont enterré les animaux dans de la cendre – et ils sont extrêmement détaillés. Les fossiles de mammifères typiques de l'ère mésozoïque (il y a 252 à 66 millions d'années) ne sont rien de plus que des fragments de dents et de mâchoire, mais les spécimens chinois ont souvent des squelettes entiers, avec fourrure, peau et organes internes. «Nous avons beaucoup de détails pour répondre aux questions scientifiques», déclare Meng. Il s'intéresse à la compréhension de l'évolution de l'oreille d'un mammifère, par exemple.
Les découvertes ont renversé le dogme précédent. «Nous avions l'habitude de dire que, à l'époque des dinosaures, les mammifères étaient totalement inhabituels. Qu'ils étaient juste ces petits trucs souris qui trottinaient dans l'ombre », dit Brusatte. Mais ces animaux "subissaient leur propre explosion évolutive", dit-il.
Les mammifères sont apparus pour la première fois il y a au moins 178 millions d’années et ont traversé les dinosaures jusqu’à ce que la majorité de ces bêtes, à l’exception des oiseaux, soient exterminées il ya 66 millions d’années. Mais les mammifères n’ont pas eu à attendre que cette extinction se diversifie sous de nombreuses formes et espèces. «Ces nouvelles découvertes témoignent d'une diversité écologique énorme, jusque-là insoupçonnée», explique Richard Cifelli, paléontologue de l'Université d'Oklahoma à Norman.
Parmi les premières innovations que les chercheurs ont commencé à trouver sous forme de fossile, citons celles concernant la locomotion. En 2006, l’équipe de Meng a signalé le premier mammifère en vol à voile, 164 millions d'années Volaticotherium, dont les membranes des ailes étaient en fourrure veloutée, comme les écureuils volants d’aujourd’hui. En 2017, l’équipe de Luo a ajouté Vilevolodon et Maiopatagaium,, qui vivait à peu près au même moment et appartenait à un groupe appelé haramiyids. Ces animaux ont plongé entre les arbres à côté des premiers dinosaures volants, tirant ainsi parti de ressources alimentaires inexploitables.
Les chercheurs ont découvert que d'autres spécialisations supposées n'avoir évolué que plus tard: Agilodocodon pourrait grimper aux arbres et rongé dans l'écorce pour se régaler de sève; le river-river de la taille d'un ornithorynque Castorocauda avait des pattes palmées et une queue de castor pour nager; et Docofossor avait des pattes et des griffes pour creuser et ressemblait à une taupe moderne.
Ces mammifères s'étaient également adaptés à une multitude de régimes, beaucoup plus diversifiés qu'on ne le supposait auparavant. En 2014, Krause a décrit le genre de marmotte Vintana de Madagascar, un herbivore qui s’est peut-être nourri de racines et de graines. Et le carnivore à la taille du carcajou Repenomamus, rapportée par l’équipe de Meng en 2005, avait des os de bébé dinosaures dans l’estomac. Un grand nombre de ces mammifères fossiles récemment découverts appartiennent à des sous-groupes disparus depuis longtemps, dit Meng. Contrairement à la panoplie qui existait au Mésozoïque, il n’existe aujourd’hui que trois types de mammifères: les placentaux, qui constituent la majorité des espèces et comprennent l’être humain; les marsupiaux, tels que les kangourous et les koalas, dans lesquels la gestation dans l'utérus est brève et le développement se poursuit dans une poche; et les monotrèmes de ponte, représentés uniquement par l'ornithorynque et plusieurs échidnas. «Mais dans l'histoire de la géologie, il y avait beaucoup d'autres groupes tels que les multituberculés, les triconodontes et les haramiyids», explique Meng. "Les mammifères étaient en réalité très diversifiés dans le jurassique."
Certains, comme le museau Juramaia – décrits par l’équipe de Luo en 2011 et datés de 160 millions d’années – font partie des tout premiers mammifères placentaires et ont donc le potentiel d’être nos ancêtres.
Et quelques mammifères de l'époque des dinosaures étaient bien plus gros qu'on ne le soupçonnait. Repenomamus était de 12 à 14 kilogrammes, et le raton laveur Vintana pesé à 9 kg. «C’est excitant que nous ayons en quelque sorte brisé les vieux mythes selon lesquels les premiers mammifères provenaient d’un très humble ancêtre généralisé», déclare Luo.
Les trouvailles ne proviennent pas uniquement de Chine. Des fossiles importants proviennent également des États-Unis, de l'Espagne, du Brésil, de l'Argentine, de Madagascar et de la Mongolie. Certains des fossiles les plus fascinants et les plus anciens – ainsi que les plus grandes lacunes de nos connaissances – concernent les continents du Sud, où seuls cinq genres de mammifères mésozoïques et leurs parents sont connus, contre plus de 70 genres des latitudes septentrionales. Au cours des deux dernières décennies, le Brésil a livré plusieurs fossiles du Trias datant de plus de 200 millions d'années. Guillermo Rougier, paléontologue à l'Université de Louisville dans le Kentucky, les décrit comme des "découvertes incroyables" qui se situent à la limite entre les mammifères et leurs ancêtres cynodontes. "Ces formes montrent vraiment une progression très transitionnelle de choses qui sont typiquement des non-mammifères, à des choses qui ont à peu près toutes les caractéristiques des premiers mammifères."
Les must-haves des mammifères
Les dernières découvertes offrent également des indices sur l'évolution des principales caractéristiques des mammifères. Par exemple, l'ouïe des mammifères est en partie due à de minuscules os dans l'oreille moyenne – le malleus, l'incus et l'ectotympan. Mais chez les ancêtres reptiliens des mammifères, ces os faisaient partie de la mâchoire et étaient utilisés pour mastiquer au lieu d’entendre. Les précurseurs de mammifères, tels que les musaraignes Morganucodon il y a 205 millions d'années, arborait un prototype de l'arrangement mammifère qui permettait les deux fonctions.
En 2011, Meng a signalé un intermédiaire: un spécimen de Chine âgé de 120 millions d'années appartenant à un groupe de mammifères appelé eutriconodontes et Liaoconodon hui (voir ‘poinçons de mammifères’). Le fossile de la taille d'un rat a révélé trois os de l'oreille moyenne, mais ceux-ci étaient toujours attachés à la mâchoire par du cartilage. «La fonction auditive et la fonction mastication n'étaient toujours pas complètement séparées», explique-t-il. C’était une preuve tangible de la transition évolutive de la mâchoire à l’oreille.
Un autre trait unique des mammifères est la manière sophistiquée avec laquelle ils mâchent et ingèrent des aliments en petits colis, plutôt que d'avaler des choses entières comme le font les serpents et les alligators. Pour rendre cela possible, les mammifères ont développé une grande variété de dents complexes pour mordre et broyer les aliments.
Mais en tant que bébés, les mammifères se nourrissent d’une autre manière – en tétant les glandes mammaires de leur mère. «Notre groupe entier porte le nom de cette incroyable innovation biologique», déclare Luo. Boire du lait est rendu possible par la capacité de sucer et d’avaler, aidée par les os hyoïdes de la gorge et les muscles qui les soutiennent. Cet appareil constitue également la boîte vocale.
En juillet, Luo a publié un article révélant un docodont de la taille d'un campagnol, vieux de 165 millions d'années – un proche parent de vrais mammifères – dont les os hyoïdes de la gorge ont été préservés.. Microdocodon gracilis est le plus ancien animal connu à avoir été capable de téter comme un mammifère moderne.
Ce niveau de détail est rare et, semblable à l’étude de la Kayentatherium nouveau-nés – les travaux sur les os de l’oreille et de la gorge n’ont été rendus possibles que grâce aux progrès des techniques de balayage microCT, explique Krause. La technique a également révélé des détails sur les capacités olfactives et le cerveau des premiers mammifères. Ces révélations «insufflent la vie à ces premiers mammifères d’une manière qui était auparavant impossible et presque inconcevable», dit-il.
Une grande partie de la constellation de caractéristiques que nous considérons comme définissant les mammifères – dents complexes, sens excellent, lactation, taille de portée réduite – pourrait en fait avoir évolué avant les vrais mammifères et assez rapidement. «De plus en plus, il semble que tout soit sorti dans un très court élan d'expérimentation évolutive», déclare Luo. Au moment où des créatures ressemblant à des mammifères erraient au Mésozoïque, il a déclaré que «la lignée avait déjà acquis son apparence moderne et ses adaptations biologiques modernes».
Drame familial
Bien que les experts soient d’accord sur de nombreux points, il existe encore beaucoup de débats sur la relation entre les groupes de mammifères primitifs et sur les groupes qui sont de vrais mammifères. Cela conduit à une incertitude sur la façon dont les caractéristiques clés ont évolué, dit Hoffman.
Les haramiyids constituent l'un des points de friction entre Meng et Luo, qui ont chacun développé leurs propres arbres évolutifs. Meng pense que ce groupe précoce appartient aux vrais mammifères, alors que Luo est convaincu qu’il s’agit d’une branche secondaire. Les plus anciens haramiyids connus datent d'il y a 208 millions d'années dans le Trias. Si ce sont de vrais mammifères, alors les origines des mammifères remontent au moins aussi loin – sinon, le plus vieux mammifère connu a 178 millions d’années, bien au jurassique.
Plus de fossiles aideront à résoudre de telles questions et apporteront plus de surprises. Krause et Meng disent qu'ils étudient tous les deux des fossiles passionnants mais qu'ils n'ont pas encore publié leurs découvertes. Des dizaines de spécimens non étudiés sont entassés dans les bureaux de leurs collègues chinois.
Les paléontologues ont de nombreux articles sur leurs listes de souhaits. Une caractéristique que Luo veut comprendre est le taux de croissance. Les reptiles se développent lentement tout au long de leur vie, alors que les mammifères se développent en rafales dans la jeunesse puis en plateau. Il aimerait trouver une série de fossiles allant de bébés à des adultes pour observer ce qui se passe. "C'est l'une des caractéristiques les plus critiques chez les mammifères qui aident à définir notre biologie", dit-il.
Hoffman et Meng sont tous deux d’accord sur le fait que des embryons et davantage de bébés seraient des découvertes importantes – et, comme le Kayentatherium découverte avec ses dizaines de nouveau-nés, ils nous aideraient à déterminer la date à laquelle les petites tailles de litière ressemblant à des mammifères sont apparues. Le rêve de Meng est de trouver une mammifère enceinte. «C’est toujours dans mon esprit que je vais trouver un mammifère qui, à l’intérieur du squelette, laisse entrevoir un squelette très délicat, qui est soit un œuf qui n’a pas éclos, soit un fœtus plus intéressant», dit-il.
Si les nombreuses découvertes ont appris quelque chose aux chercheurs, c’est que chaque découverte de fossile a le potentiel d’ajouter un chapitre à l’histoire de l’évolution ou même de renverser le récit dominant. «Nous sommes vraiment dans cette phase passionnante, presque maniaque, de nombreuses nouvelles preuves qui arrivent, et il faudra du temps pour synthétiser», a déclaré Brusatte.
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