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La crise permien-trias


La crise permien-trias est une crise biologique majeure. Parmi les êtres vivants rayés de la surface du globe, les trilobites. Découvrons pour commencer ces animaux emblématiques de l’ère primaire. Nous chercherons ensuite à comprendre les causes de leur disparition.

Les trilobites

Les trilobites forment une classe d’arthropodes marins. Ils sont apparu au début de l’ère primaire (au Cambrien inférieur, il y a environ 525 millions d’années. Ces animaux préhistoriques ont totalement disparu lors de la crise Permien Trias, il y a 252 millions d’années.

Les fossiles des trilobites

Les trilobites ont laissé beaucoup d’individus fossilisés, faciles à reconnaître :

  • Leur corps divisé est en trois lobes, un lobe médian ou rachis flanqué de deux lobes latéraux ou plèvres, et en trois dans le sens de la longueur: une tête ou céphalon, un thorax comportant un nombre variable d’anneaux et un pygidium.
  • Leur carapace dorsale rigide riche en carbonate de calcium fossilisait facilement d’où leur abondance dans les sédiments (mais cela explique leur sensibilité à l’acidification des océans).
  • Par contre la face inférieure et les appendices sont rarement conservés, ils ne sont connus que chez une dizaine d’espèces.
trilobite, un animal qui a disparu lors de la crise permien trias
Les différentes parties d’un trilobite

Les trilobites étaient très diversifiés. A ce jour, plus de 18.750 espèces sont connues mesurant 1 mm à 70 cm de long.

Ces trilobites étaient exclusivement marins. La très grande majorité d’entre eux vivait sur le fond des mers. Il semble qu’ils s’y nourrissaient de petits animaux benthiques tels que des vers. Ils se reproduisaient en pondant des œufs. Ils grandissaient par mues successives.

Des marqueurs stratigraphiques

Occupant toutes les mers du Primaire et évoluant rapidement, les trilobites sont d’excellents marqueurs du temps. On dit que ce sont des marqueurs stratigraphiques : telle espèce correspond à tel moment de l’ère primaire. Donc si on en trouve dans un sédiment, on en déduit l’âge du sédiment sans avoir besoin de technique plus complexe.

L’œil des trilobites

Une étude publiée en 2020 présente la structure de l’œil composé d’Aulacopleura koninckii, un trilobite âgé de 429 millions d’années… En regardant le fossile de cet animal d’environ 1 cm, les chercheurs ont pu affirmer que les trilobites d’autrefois pouvaient voir comme les libellules et abeilles d’aujourd’hui !

Avec un bon microscope, ils ont pu observer que chaque œil contenait huit cellules réceptrices, un cristallin épais, et un cône cristallin très fin. L’ensemble étant regroupé autour d’une structure en forme de bâtonnet qui optimise le transport de la lumière. Les cellules réceptrices auraient été englobées par des cellules pigmentaires. Quant au cristallin, son diamètre laisse penser que ce trilobite nageait dans des eaux claires, peu profondes, et était probablement diurne.

Des migrations collectives

2019. des chercheurs ont publié les résultats de leur recherche sur des fossiles marocains de trilobites appelés Ampyx priscus retrouvés dans des couches sédimentaires âgées d’environ 480 millions d’années. Ce sont des groupes entiers d’individus qui ont été ensevelis vivants lors de tempêtes. Les individus fossilisés retrouvés sont tous orientés vers une même direction. Ils forment des files régulières, maintenant entre eux des contacts étroits via leurs très longues épines. Ces images font penser aux migrations des langoustes actuelles dans la mer des Caraïbes.

Ces trilobites exhibent donc un comportement collectif. C’est le plus ancien dont nous ayons trace à ce jour dans le monde animal. On peut penser qu’il s’agit d’une stratégie évolutive pour améliorer les chances de survie et de reproduction en réponse à des perturbations dans l’environnement.

Évolution et disparition des trilobites.

Lors de l’émergence des trilobites au début de l’ère primaire, au cambrien, les trilobites étaient très diversifiés. Peu d’animaux étaient en compétition avec eux. Enfin, ils avaient peu de prédateurs.

Puis, pendant l’ordovicien à partir de -485 millions d’années, la vie s’est diversifié dans les océans. Dès lors, les trilobites se sont retrouvé en compétition avec d’autres animaux. Ils devaient de plus faire face à des prédateurs. On observe dans l’évolution des trilobites, par exemple, la capacité de se rouler en boule ou un exosquelette plus solide, cela les rend plus compétitifs.

Survient alors la crise de l’ordovicien-silurien, il y a environ 444 millions d’années. Avant il y avait des milliers d’espèces de trilobites, après cette crise il n’en reste que quelques centaines.

Puis vient l’extinction de la fin du dévonien, à laquelle ne survit qu’une famille de trilobites, les Proetidae. Il s’agit de petits trilobites plus simples que certains trilobites massifs qui existaient auparavant. A la fin du Permien, ces derniers trilobites ont à leur tour disparu.

La crise permien-trias :
une extinction massive

La crise permien-trias est le pire cataclysme que la Terre ait connu. Qu’il s’agisse de sa chronologie ou de ses causes, c’est un temps géologique complexe. Je vais ici chercher à rendre compte de façon claire ce qu’on en sait aujourd’hui.

Généralités sur la crise permien trias

La crise permien – trias comprend plusieurs extinctions de masse, dont deux à 8 millions d’années d’intervalle. La seconde est la plus importante et peut elle même être subdivisée en deux :

  • à la toute fin du permien disparaissent 57 % des espèces marines, en particulier tout le plancton et certaines espèces benthiques comme des algues et certains coraux ;
  • puis au début du Trias l’extinction de 71 % des espèces océaniques restantes altère grandement l’écosystème marin, il faudra 4 à 8 millions d’années pour qu’ils retrouvent leur état initial.

Catastrophe dans les océans

Ces deux événements du début du Trias, séparés de 60000 à 180000 ans, ont fait disparaître, en milieu marin 83% des genres et 96% des espèces. En particulier :

  • tous les trilobites, tabulés, tétracoralliaires et certains foraminifères,
  • 98 % des espèces d’ammonoïdés,
  • 90% des genres de brachiopodes,
  • 98% des familles d’échinodermes,
  • 75% des familles de bryozoaires.

Cataclysme sur les continents

On dispose de moins de données pour les organismes continentaux que pour les organismes marins. On estime que les gymnospermes diminuent fortement, les vertébrés perdent 75% des familles et les insectes 63% des familles.

Il y a ensuite, pendant 50000 ans, un « événement fongique ». Autrement dit, les champignons « mycètes » prolifèrent grâce au taux élevé de débris végétaux.

Les organismes intertropicaux sont plus touchés que ceux des hautes latitudes et ceux d’eau douce survivent mieux que les marins. De même, les espèces spécialisées sont défavorisées par rapport aux organismes généralistes. La Terre a été privée de ses forêts. Elle ne les a retrouvé en pleine forme que 10 millions d’années plus tard.

Il a fallu 4 à 8 millions d’années aux écosystèmes marins pour retrouver leur état initial.

Plusieurs hypothèses rivalisent pour expliquer cette double catastrophe. Plusieurs scénarios ont été étudié par les scientifiques. Les analyses des sédiments, les teneurs en divers isotopes, permettent d’en confirmer certains et d’en écarter d’autres.

Des éruptions volcaniques massives

crise permien trias
La crise permien trias

L’idée que de grandes éruptions volcaniques sont responsables des crises biologiques remonte aux années 1980. Il s’agit d’éruptions à large échelle, produisant de gigantesques empilements de coulées de lave basaltique appelées trapp.

Les trapps de Sibérie

Pour la période qui nous intéresse, ce sont les trapps de Sibérie qui sont en cause. Ils ont été formés par une succession d’éruptions volcaniques massives, durant une période d’environ un million d’années, survenues il y a 251 millions d’années. Une seule éruption de lave basaltique pouvait excéder 2 000 km3. D’énormes volumes de lave basaltique ont recouvert une grande partie de la Sibérie pour former ces trapps. Aujourd’hui, l’aire recouverte représente environ 2 000 000 km2 (l’Europe occidentale a une surface d’environ 10 000 000 km2). On estime la surface recouverte à l’origine à 7 000 000 km2. Le volume initial de lave est estimé entre 3 000 000 et 5 000 000 km3.

Un article de 2019 date de façon précise ces trapps de Sibérie, grâce à la radiochronologie. Les trapps de Sibérie continuent à être étudiées, par exemple un article de 2022 relate l’utilisation de la thermochronologie. On distingue trois phases dans les éruptions :

  • la première phase commence avant 252,24 ± 0,1 Ma, soit 340 000 ans avant la limite Permien-Trias, Des éruptions explosives, avec des coulées pyroclastiques, sont suivies par des effusions de lave. On estime que les deux tiers des trapps se sont constitués à cette époque, ce qui représente plus d’un million de kilomètres cubes de basalte.
  • La deuxième phase commence il y a 251,907 ± 0,067 Ma et se termine il y a 251,483 ± 0,088 Ma. Cette phase appartient au tout premier étage du Trias. Elle se caractérise par l’arrêt des effusions de lave et la mise en place d’un immense complexe de sills : le magma ne monte plus en surface mais s’insinue entre des strates de roches sédimentaires, où il se solidifie. L’érosion mettra plus tard ces sills à l’affleurement. On peut actuellement en voir une superficie supérieure à 1,5 million de kilomètres carrés.
  • Les effusions de lave reprennent après un arrêt d’environ 420 000 ans, marquant le début de la troisième phase. Elle dure au moins jusqu’il y a 251,354 ± 0,088 Ma.

Les trapps d’Emeishan

Depuis au moins 20 ans, les chercheurs s’intéressent aussi à une autre zone d’activité volcanique intense. Les trapps d’Emeishan (le mont Emei), dans l’actuelle Chine du Sud, ont également perturbé le système climatique à la fin du Permien. Les coulées basaltiques recouvrent une surface de 250 000 km² sur 1 à 2 km d’épaisseur.

Ces trapps d’Emeishan sont antérieurs à ceux de Sibérie, ils commencent à s’édifier vers -262 Ma. Des flots de basalte fluide et peu visqueux ressemblant à ceux émis lors des éruptions de Hawaï se sont écoulés de larges et longues fissures éruptives en direction de la mer. Des dépôts sédimentaires ont ensuite recouvert les couches des basaltes refroidies. On note des signes non ambigus d’une extinction massive des formes biologiques. Les couches de sédiments marins prenant en sandwich les coulées de basalte contiennent des formes de vies aisément identifiables et faciles à dater. Ainsi, un lien clair et indiscutable entre les trapps d’Emeishan et une grande crise biologique est maintenant établi.

Les extinctions concernent en particulier certains groupes de foraminifères (des micro-organismes entourés d’un test calcaire) et d’algues calcaires

On appelle ignimbrites des roches formées par « cimentation » des cendres et ponces propulsés lors de l’éruption. Ces roches ont permis de dater la fin de ces éruptions à 259,1 Ma.

La pénétration de ces flots massifs de lave dans la mer a dû être explosive. Elle a provoqué l’évaporisation d’une grande quantité d’eau de mer. Des émissions de dioxyde de soufre s’y sont mélangé. D’où pluies acides et nuages réfléchissant la lumière du Soleil. Ces aérosols ont conduit à un refroidissement de la planète.

En résumé. Tout d’abord ce sont les trapps d’Emeishan (Chine actuelle) qui se mettent en place, puis ceux de Sibérie. Les trapps de Sibérie, d’une épaisseur de 3700 m de laves, se sont déposés en moins d’un million d’années, sur une superficie estimée à 3 000 000 km2.

Un bref refroidissement

Une anomalie en soufre est décelée dans les océans à cette période. Or, la présence de soufre dans l’atmosphère est connue pour former des aérosols qui font baisser la température globale. S’ajoute à cette baisse la présence de poussières volcaniques (qui réduisent encore la température globale).

En revanche, le dégazage de CO2 fait augmenter la température à moyen terme.

Encore à plus long terme, le réchauffement dû au CO2 augmente l’altération des basaltes. Cette altération est très consommatrice de CO2. In fine, la mise en place de trapps se traduit, après une succession d’augmentations et de baisses de la température, par un niveau de CO2 plus bas qu’avant le début des éruptions. Et qui dit refroidissement, dit baisse du niveau des océans.

éruption volcanique, aérosols, climat

Résumons avec ce schéma. L’effet de refroidissement est lié à la présence d’aérosols dans la haute atmosphère. Ces aérosols sont formés notamment à partir des sulfures d’hydrogène H2S et dioxyde de soufre SO2 émis par l’épisode volcanique. Ce phénomène est relativement bref (quelques semaines à quelques années). Il varie en fonction du taux et de la répartition à la surface du globe des gaz émis. On doit également prendre en compte la présence d’autres composés volatils. En effet le chlore et le fluor provoquent aussi des pluies acides. Leur présence dans l’atmosphère est limitée à quelques semaines. Les émissions de CO2 en revanche vont avoir un effet à plus long terme (plusieurs centaines d’années).

Difficiles conditions de vie sur la Pangée

A la fin du Permien, cela faisait quelques dizaines de millions d’années que les continents étaient presque tous réunis en un seul, la Pangée. Une chaîne montagneuse y soudait 2 grandes masses continentales, Gondwana au sud et Laurasia au nord.

La diversité biologique est grande dans les habitats côtiers. Elle était limitée par la présence d’un seul bloc continental. De plus, le niveau des mers était descendu de 250 mètres en vingt millions d’années. Les plateaux continentaux, prolongements en pente douce des continents sous la mer, étaient donc à sec. Le volume d’eau étant moindre, la compétition entre espèces était plus rude.

Aujourd’hui, seules les parties profondes de l’océan manquent de dioxygène. Mais lors de la crise Permien Trias, même les couches supérieures étaient anoxiques, donc peu propices à la vie aérobie.

Le climat de la Pangée

La Pangée avait un climat continental très rude sur une bonne part de sa superficie.

Des simulations ont été faites avec un taux de CO2 d’environ 2 000 ppm. Même si ces calculs ne peuvent se fonder sur des données fiables concernant la composition chimique de l’atmosphère, les courants océaniques, la réflectivité des surfaces (albedo), elles donnent une tendance. Les températures dépassaient par endroits 36 °C en moyenne annuelle.

Aux hautes latitudes, la température de l’océan était telle que les grands courants océaniques devaient être au ralenti, empêchant le mélange des eaux. Puis les poussières et les aérosols soufrés éjectés par les trapps chinois ont d’abord occasionné un refroidissement général. Puis le dioxyde de carbone a inversé la tendance. Conséquence : effet de serre et une fonte des hydrates de méthane piégé dans des zones gelées (permafrost). Cela a libéré le méthane dans l’eau, puis dans l’atmosphère, occasionnant un plus grand effet de serre, nouvelle augmentation de la température qui a fait fondre encore plus d’hydrates… C’est ce scénario que de nombreux scientifiques proposent aujourd’hui pour expliquer la crise Permien Trias.

On manque de preuves pour affirmer qu’il y a bien eu un taux élevé de méthane dans l’atmosphère il y a 250 millions d’années. Les éruptions de Sibérie sont alors arrivées, aggravant encore la situation. La biodiversité était donc déjà affaiblie quand est survenue la crise permien-trias.

Première extinction « mineure »
liée aux émissions d’Emeishan

Une première crise a eu lieu il y a environ 262 millions d’années. Les savants l’appellent « crise du Guadalupien tardif », c’est le prélude de l’extinction massive de la fin du Permien. Cette première extinction a touché essentiellement des animaux marins non vertébrés ayant un système respiratoire passif comme des coraux, des bryozoaires, des brachiopodes et des ammonoïdes.

Ainsi, en 2017, des chercheurs ont publié les résultats de leur étude sur les isotopes du carbone et du strontium dans deux sédiments carbonatés marins prélevés dans un site dans le sud de la Chine. Dans cette zone, l’éruption volcanique emeishan recouvre et est imbriquée de carbonates. On peut ainsi étudier le moment relatif de l’extinction et du volcanisme dans les mêmes endroits. Ceux-ci montrent que le début du volcanisme a été marqué par de grandes éruptions phréatomagmatiques. (Le magma bouillant rencontre de l’eau. Cela génère une explosion violente, libérant des quantités massives de dioxyde de carbone. Les scientifiques savent différencier les sources de carbone par la proportion des différents isotopes). Conséquence : extinctions parmi les foraminifères fusulinacés et les algues calcaires.

Régression = baisse du niveau de la mer

L’étude des isotopes montre que l’extinction correspond au moment où il y a eu une régression marine. Cela a détruit de nombreux habitats marins et affecté toutes les espèces vivant dans des milieux peu profonds. La régression est marquée par une hausse des rapports 87Sr/86Sr. Cette régression serait la première étape.

Un océan inhabitable

Puis, du fait des éruptions volcaniques, la température a augmenté et d’importantes quantité de dioxyde de carbone, dioxyde de soufre, dichlore et autres gaz toxiques ont provoqué une rapide détérioration de l’environnement, une acidification de l’océan et la disparition d’espèces variées. Les gaz nocifs ont amplifié la crise dans les milieux peu profonds et abyssaux. La baisse correspondante des rapports isotopiques de Sr et de C pourrait avoir été en réaction à l’éruption de basaltes (augmentation relative due au Sr issu du manteau) et à la libération de CO2 enrichi en 12C.

D’autres études montrent qu’il y a eu une perturbation à grande échelle du cycle du carbone en lien avec un changement climatique global, que dans l’océan il y avait très peu de dioxygène. On mesure aussi un relâchement catastrophique de méthane qui est un gaz à effet de serre.

L’extinction « majeure »
liée aux trapps de Sibérie.

L’extinction date d’il y a environ 252 millions d’années. Les scientifiques ont voulu être plus précis. Des chercheurs ont daté les dépôts de cendres d’une colline d’Afrique du Sud. La méthode utilisée pour les dater repose sur des isotopes du plomb et de l’uranium dont les quantités ont été déterminées dans des cristaux de zircon présents dans ces cendres. On sait que ces cristaux gardent une excellente mémoire de leur date de formation au cours des âges géologiques. Il en est sorti que cette couche de cendres s’était déposée il y a 252,24 millions d’années dans la partie sud de la Pangée. C’est la zone correspondant au futur supercontinent de Gondwana, à l’origine de l’Antarctique, l’Afrique, l’Amérique du Sud et l’Australie. C’est 300.000 ans avant les datations associées au début des extinctions dans la Panthalassa à partir de sédiments retrouvés en Chine.

Des terrains en Australie avec deux couches similaires (l’Afrique du Sud et l’Australie faisaient partie du Gondwana), donnent pour le début de l’extinction un âge plus vieux également, mais cette fois-ci de l’ordre de 400.000 ans. Cela montre que la vie sur le continent Pangée a été fortement affectée des centaines de milliers d’années avant celle des océans de la Panthalassa.

Libération de gaz à effet de serre et réchauffement climatique

On n’observe pas d’extinction d’espèces ni de perturbation du cycle du carbone durant la première phase de volcanisme en Sibérie. Une couche de cendres se dépose d’abord, grâce aux coulées pyroclastiques. De 252,2 à 251,9 Ma, d’épaisses coulées de lave s’y ajoutent. Comme elles exercent une forte pression sur la croûte, le magma ne peut atteindre la surface et se propage le long de sills horizontaux. Par métamorphisme de contact, les sédiments de la Toungouska émettent des gaz à effet de serre. C’est le début de la deuxième phase, de 251,9 à 251,5 Ma.

gigantesque incendie

La crise se produit il y a 251,941 ± 0,037 Ma, soit environ 300 000 après le début de la première phase (compte tenu des incertitudes). Elle atteint son paroxysme au début de la deuxième phase et s’achève au cours de la troisième phase.

L’explication proposée en 2017 est que les gaz à effet de serre ont été émis par les sills, et non par les coulées de lave. Cela s’est produit quand le magma a rencontré en profondeur les sédiments du bassin houiller de la Toungouska, composés d’évaporites, de carbonates et d’hydrocarbonates, ainsi que de roches détritiques provenant de l’érosion. Les analyses menées ces dernières années montrent que les éruptions à l’origine des trapps de Sibérie ont libéré 14,5 billions de tonnes de carbone dans l’atmosphère, soit plus de deux fois et demi le volume relâché si l’intégralité des réserves de combustibles fossiles de la planète venaient à être extraites puis brûlées.

Sur le terrain comme dans les échantillons collectés de roches des trapps sibériens – plus de 450 kg – et analysés ensuite en laboratoire, les chercheurs ont découvert des fragments de bois et de charbon, prouvant que de grandes quantités de charbon et de matière organique ont brûlé lors de l’éruption, dégageant d’autant plus de dioxyde de carbone.

Une telle libération de gaz à effet de serre explique le réchauffement climatique intense observé ensuite sur Terre comme en mer.

Les émissions de gaz se réduisent progressivement, bien que le complexe de sills continue à s’étendre. Durant la troisième phase, jusqu’à 251 Ma, les effusions de lave reprennent. Les émissions de gaz sont faibles.

L’évolution de la température connue par l’oxygène

L’étude des isotopes, notamment la proportion de 18 O dans les carbonates marins et les paléosols, suggèrent que la température de l’eau de mer et du sol a augmenté de 8 à 10°C à la limite permientrias, et de 6-8°C un million d’années plus tard, au début du trias.

L’évolution de la température connue grâce à un coquillage fossile

En 2020, des scientifiques travaillant en Chine ont déterminé l’évolution des températures des eaux superficielles jusqu’à la fin du Permien en utilisant des fossiles de brachiopodes. Les isotopes de l’oxygène des cristaux de calcite de leurs coquilles fournissent des indications sur les températures des mers. Elles ont augmenté il y a 262 millions d’années, et sont restées élevées jusqu’à il y a environ 259 millions d’années. Une extinction des coraux rugueux s’est produite à ce moment, parce qu’ils étaient les animaux benthiques les plus sensibles aux températures. Les fusulines (des foraminifères géants) et les bivalves, plus résistants, ont périclité plus tard.

Puis (on est toujours à la fin du Permien) de 259,1 à 254,14 Ma on observe dans les anciennes mers de Chine du Sud une période froide, probablement due à l’altération des basaltes des trapps d’Emeishan. Ce processus est un puits de CO2 atmosphérique, alors que les éruptions volcaniques en sont une source. Ensuite, de 254,14 à 251,90 Ma, l’étude des brachiopodes montre un réchauffement, qui coïncide avec les premières éruptions pyroclastiques en Sibérie. Il est plus court mais plus ample que le premier. Les plus hautes valeurs sont atteintes il y a 251,90 Ma, à la limite Permien-Trias, ce qui coïncide avec l’extinction de masse. Elle a été datée entre 251,94 et 251,88 Ma. Elle aurait donc duré dans les soixante mille ans, en tout cas moins de cent mille.

Vivre en permanence dans un sauna ?

Les températures à l’équateur sont estimées à 32-35°C au début du trias et à plus de 40°C un million d’années plus tard (les spécialistes parlent de la limite entre deux sous-étages, smithien et spathien, de l’étage olénékien du trias inférieur). Les êtres vivants peuvent plus ou moins s’adapter à un réchauffement climatique, ça dépend de la possibilité de migrer vers des zones moins chaudes, ça dépend aussi de la vitesse à laquelle les températures augmentent et de la durée : s’il y a juste un pic de chaleur, un organisme peut survivre, mais si le réchauffement dure des mois ou des années, l’acclimatation des processus physiologiques devient nécessaire – on le sait bien, on peut supporter les températures très élevées d’un sauna parce qu’on n’y reste pas longtemps, on ne supporterait pas de telles températures pendant des jours, et encore moins pendant des mois ou des années.

L’étude de squelettes et empreintes fossiles ont permis aux chercheurs de suivre les migrations de certaines espèces terrestres, ils ont noté un déplacement des tétrapodes vers des régions plus au Nord et plus froides, pour s’échapper du climat équatorial superchaud au début du Trias. Pour les plantes et les animaux ne pouvant migrer, les températures de 35-40°C ont souvent été létales. Peu de plantes et animaux survivent à des températures supérieure à 40°C (sur des durées longues).

Sécheresse

Sur les continents, la chaleur provoque l’évaporation donc la sécheresse. Difficile pour bien des êtres vivants de survivre dans ces conditions !.

A la fin du Permien, la Pangée est caractérisée par des températures moyennes élevées, et une large zone semi-aride autour d’une zone équatoriale plus humide. Les chercheurs ont relevé des indices montrant que dans bien des régions, l’aridité a augmenté quand on s’avance dans le temps et qu’on arrive au début du trias. Les vastes bassins humides qu’on observait dans l’actuelle Europe, Russie et Afrique du Sud sont devenus arides. En effet, les sédiments ont changé, on trouve de vastes zones de grès provenant du transport de sables de dunes par le vent.

L’expansion de la ceinture aride est contrebalancée, dans d’autres régions, par une augmentation des précipitations. En Afrique du Sud, on trouve d’étranges associations de squelettes datant du début du Trias. Pour les paléontologues il s’agit d’un ensemble de vertébrés tués par la sécheresse autour d’un trou d’eau rétrécissant, puis agrégés par les précipitations et le transport ultérieurs. Ils étaient aussi morts de faim du fait du manque de végétaux.

des animaux survivant à la sécheresse

Certains êtres vivants se sont adaptés, par exemple certains insectes traversent les saisons sèches en entrant dans une phase de dormance. Une sorte de moucheron nigérien détient actuellement le record de tolérance. Son nom scientifique est Polypedilum vanderplanki . Ses larves supportent des températures allant de −270 to +106°C, et elles peuvent se rétablir après une déshydratation prolongée pendant plus de 17 ans, elles sont capables de survivre en perdant 97 % de son eau. L’un de ses secrets : l’accumulation rapide d’un sucre particulier, le tréhalose, qui d’une certaine façon bloque de l’eau et d’autres macromolécules dans les cellules. De nombreux gènes de P. vanderplanki sont exclusifs à son génome. Ils ne sont pas partagés avec des espèces proches, ils n’ont pas été hérités d’un lointain ancêtre.

Mais très rares sont les animaux qui supportent la déshydratation. Les reptiles et les oiseaux arrivent à contrôler la perte d’eau à travers leur peau grâce à une couche de lipides, un peu comme une couche de beurre peut empêcher l’eau de passer. Mais quand la température dépasse les 40°C, de même que le beurre fond, les lipides corporels changent, des « trous » se forment, laissant passer les molécules d’eau. Dès lors, l’animal risque de mourir déshydraté.

Au final, les organismes qui supportent le mieux la dessication sont les organismes les plus simples : des bactéries et cyanobactéries peuvent survivre pendant des mois voire des années en l’absence d’eau, ils sont dans une forme de survie et, quand l’eau revient, ils repassent dans un mode de vie actif. Une sorte de crevette, Artemia franciscana, produit des kystes embryonnaires qui peuvent survivre 2 ans dans un milieu sec, dépourvu de dioxygène, à des températures inférieures à 0°C comme à des températures supérieures à 80°C.

Des végétaux survivant à la sécheresse

Chez les végétaux, l’équivalent, c’est la production de graines, certaines conservent la capacité à germer pendant plusieurs années, quelques plantes détiennent des records impressionnants. Par exemple des botanistes ont publié en 1995 qu’ils ont réussi à faire germer de très vieilles graines de lotus sacré, appelé Nelumbo nucifera par les botanistes. La religion bouddhiste a été introduite dans la région de Pulantien en Chine, les moines y ont cultivé le lotus sacré dans un lac qui s’est asséché. Dans le lit du lac asséché restaient des fruits avec des graines… Les scientifiques les ont daté au 14C : ils ont étudié 6 fruits âgés de 95 à 1,288 ans (moyenne : 595 ± 380 ans).

Les deux tiers des graines contenues dans ces fruits ont germé, y compris les plus anciennes et, chose étonnante, elles ont presque toutes germé en moins de 4 jours, aussi rapidement que les graines des fruits venant d’être récolté, et plus rapidement que les fruits frais du Lotus jaune [N. lutea]. Et ont donné des plantes robustes.

C’est ce qu’on observe aujourd’hui ; il y avait aussi, à l’époque, quelques organismes capables de survivre aux conditions extrêmes de l’époque.

Chaleur => Anoxie des océans :
manque de dioxygène

L’analyse des sédiments marins prouvent un changement brutal des conditions océaniques, les eaux initialement oxygénées sont devenues anoxiques. Les modèles climatiques suggèrent qu’à l’époque, les océans auraient vu leur niveau de dioxygène diminuer de 76 % !

Les scientifiques l’expliquent ainsi. La température des eaux augmentant, les océans se sont appauvris en dioxygène dissous, ce qui a conduit à l’extinction de nombreuses formes de vie marine, d’autant qu’avec l’augmentation de la température, les organismes marins avaient besoin de davantage de dioxygène.

Eutrophisation => Anoxie

De plus, l’étude de l’épaisseur des sédiments montre qu’il y a eu déboisement, lessivage des sols et érosion. Autant d’éléments qui sont arrivés dans les océans. Dans un premier temps cela a stimulé la production d’algues qui, dans un deuxième temps, ont été décomposé par des bactéries qui ont consommé le dioxygène présent dans l’eau : ce phénomène d’eutrophisation est une autre cause de l’anoxie observée dans les océans.

Anoxie => mort de nombreuses espèces

Les espèces intolérantes à la baisse de la teneur en dioxygène de leur milieu ont migré, dans la mesure où elles pouvaient se déplacer. Mais comme dans une grande partie de l’océan c’était devenu invivable pour elles, elles se sont retrouvé dans des zones limitées, en forte concurrence pour la nourriture ou l’abri. Elles ont donc davantage disparu que les espèces plus tolérantes.

Les chercheurs pensent que dans les océans, les espèces benthiques ont plutôt été tuées par l’anoxie, et le plancton plutôt par les températures trop élevées, et dans tous les cas par la réduction des zones habitables.

D’après des chercheurs, le manque de dioxygène dans les océans est le principal responsable de la disparition des espèces. Le pic de mercure (dont je parle plus loin) et donc d’intensité du volcanisme au niveau des trapps de Sibérie, apparaît jusqu’à 100.000 ans avant la crise Permien-Trias. La diminution des taux de dioxygène aurait pris des milliers ou des dizaines de milliers d’années pour se mettre en place après que les éruptions volcaniques aient atteint leur paroxysme. L’extinction des espèces marines aurait été plus immédiate si la hausse des températures en avait été la première cause.

Pollution par le Nickel

En octobre 2017, des chercheurs de la Nasa et de l’université de New York ont publié les résultats de leurs analyses. Ils ont détecté des pics de nickel anormaux dans des régions allant de l’Arctique à l’Inde, datées de l’époque permienne. D’après des résultats publiés en 2020 de recherches menées en Australie, les grains de pollen fossilisés, roches et sédiments de l’époque contiennent des quantités élevées de nickel alors qu’il n’y avait aucune source proche de ce métal. Ce nickel proviendrait de Sibérie. Il a commencé à être vaporisé par les éruptions volcaniques qui ont débuté presque 400.000ans avant la crise. Il s’est ensuite diffusé dans toute l’atmosphère avant d’être déposé en divers points de la Terre.

Petit à petit, il a empoisonné la vie végétale qui a décliné. La disparition des plantes a ensuite impacté toute la chaîne alimentaire : d’abord les herbivores puis les carnivores. Le nickel a également pollué les océans qui souffraient déjà du réchauffement climatique.

Pollution par le mercure

Des résultats de recherche publiés en 2019 montrent qu’il y avait de plus une grave pollution par le mercure. Des chercheurs chinois ont analysé 391 échantillons de sédiments prélevés sur une dizaine de sites en Hongrie, aux États-Unis, au Japon, en Chine. Ils ont observé un pic de mercure, avec des taux 3 à 8 fois plus élevés par rapport aux niveaux précédant la crise. Ce pic de mercure se reproduit sur l’ensemble de ces lieux. Cela témoigne du caractère global des retombées du volcanisme des trapps de Sibérie. Et le mercure étant toxique…

Les sédiments étudiés ont été datés à l’aide des dents fossiles de conodontes. Ces animaux marins ressemblant à des lamproies ont disparu en masse lors de la crise Permien Trias. Ils ont aussi étudié des microfossiles de radiolaires (zooplancton). Ces restes fossiles montrent que les sédiments proviennent d’anciens milieux marins, allant du plateau continental peu profond (moins de 100 mètres) aux abysses (plus de 2.000 mètres), en passant par la région intermédiaire, le talus continental. Les chercheurs ont constaté que dans les sédiments les plus profonds, le pic de mercure précède la limite Permien-Trias de 50.000 à 100.000 ans. Mais il survient presque simultanément dans les sédiments plus proches de la surface.

Une analyse isotopique des quantités de mercure 202 et de mercure 199 réalisée sur trois des dix sites étudiés a permis de montrer qu’il est plutôt d’origine atmosphérique qu’issu du ruissellement de l’eau.

Volcanisme, combustions, mercure.

Les chercheurs estiment qu’il a été propulsé dans l’atmosphère par des éruptions volcaniques : les trapps de Sibérie. En s’épanchant horizontalement dans le sous-sol, formant des sills, les magmas ont pu rencontrer de vastes réserves de matière organique, de charbon. Leur combustion a aussi rejeté de grandes quantités de mercure. Le mercure serait ensuite retombé en pluie dans les océans avant d’être rapidement capté par les sédiments.

Pluies acides

De plus, le dioxyde de soufre et divers gaz contenant du chlore et du fluor, émis par les éruptions volcaniques, en se mélangeant à la vapeur d’eau de l’atmosphère, est à l’origine de pluies acides. Elles sont également en cause dans le dépérissement de la flore et l’érosion des sols.

Pendant les 10 premiers millions d’années du Trias, on ne trouvait ni arbre ni forêt. On peut considérer que c’est une mesure de l’impact des pluies acides sur les écosystèmes terrestres. Et un signe de l’ampleur de la crise permien trias.

Les chercheurs pensent que les pluies avaient, à cette époque, un pH global de 4. Pendant les éruptions, les pluies pouvaient être particulièrement acides, avec un pH de 2 ou 3… Des pluies ayant l’acidité du citron ou du vinaigre pur ! Une telle acidité agit de façon directe, mais aussi indirectement. En effet, des composants des sols comme l’aluminium deviennent solubles. Or ce minéral est très vite toxique pour les êtres vivants, en particulier pour les arbres.

Baisse de la teneur en dioxygène dans l’atmosphère

Nous avons vu que l’océan était peu oxygéné. Qu’en est-il de l’atmosphère ?

Les chercheurs ont pu estimer les teneurs en dioxygène de l’époque. Actuellement, l’atmosphère contient 21 % de dioxygène. Selon les scientifiques, il y en avait 28 % à la fin du permien. Mais 20 % à la limite permien-trias, et 16 % au début du trias. La disparition d’une grande partie de la flore continentale et océanique peut l’expliquer. Certains insectes et certains vertébrés arrivent à supporter des moments où il y moins de dioxygène. Par exemple certains oiseaux, quand ils volent à haute altitude, supportent l’air appauvri en dioxygène… Mais seraient-ils capables de rester dans ces conditions sur des temps très longs, sans possibilité de se poser dans des zones mieux oxygénées ?

Trou dans la couche d’ozone

Émission de gaz contenant du chlore et du fluor, augmentation des températures… Autant de causes pouvant générer un trou dans la couche d’ozone. Donc davantage d’UV parvenant sur Terre, augmentation des mutations de l’ADN, risques de cancers et malformations diverses… On a trouvé dans certains sédiments des grains de pollen et des spores malformées. Pour les chercheurs, ils sont le résultat d’une forte irradiation par des UV-B provoqué par un trou dans la couche d’ozone. En effet ces UV auraient perturbé la méïose, la division cellulaire permettant de produire les cellules reproductrices.

les polluants des pluies acides pourraient aussi expliquer ces malformations.

Selon des modélisations, la production d’ozone à cette époque là pourrait avoir diminué la production d’ozone de 60–70%. Le flux d’UV a par conséquent augmenté de 400 % autour de l’équateur et de plus de 5000 % aux pôles. L’impact a pu être important au niveau des pôles, mais moindre dans les régions équatoriales.

Acidification des océans

Pluies acides + émission de dioxyde de carbone : deux causes d’une importante acidification des océans en cause dans la crise Permien Trias.

  • Les animaux marins qui ne sont pas capables de bien ajuster leur pH intracellulaire ne vont pas pouvoir maintenir leur capacité respiratoire. Quand le taux de dioxyde de carbone augmente, ils risquent donc davantage de disparaître que les animaux marins capables de s’adapter à une plus large palette de pH.
  • Par ailleurs les espèces ayant un squelette phosphaté ou siliceux comme certains brachiopodes ont eu plus de probabilité de survie (s’ils arrivaient à se nourrir et supportaient la chaleur et le manque de dioxygène) que les espèces ayant un squelette calcaire comme certains coraux et certains brachiopodes, bien plus sensibles à l’augmentation de l’acidité de leur milieu de vie.

Au total… 96 % des espèces marines non vertébrées ont disparu.

Les survivants à la crise permien trias

Plusieurs espèces ont survécu. Elles forment ce que les spécialistes appellent une « faune de catastrophe ». On y remarque une faible biodiversité et la survivance d’espèces d’apparition récente.

Lystrosaurus

Parmi elles on compte le lystrosaurus, un vertébrés herbivore de l’ordre des thérapsides (ni reptiles ni dinosaures, mais des parents éloignés des mammifères modernes) ressemblant à un croisement entre un chien et un sanglier.

Lystrosaurus, un survivant à la crise permien trias
Lystrosaurus
Un organisme adapté aux faibles teneurs en dioxygène

On remarque qu’il avait une poitrine en forme de tonneau pour accueillir les poumons élargis. Il possédait peut-être aussi un diaphragme musculaire pour forcer l’air dans et hors des poumons plus rapidement. Il est possible qu’il ait eu cœur à quatre chambres pour améliorer l’efficacité de la circulation sanguine. Ainsi pouvait-il s’adapter à la baisse de la teneur en dioxygène de l’atmosphère.

Un animal capable d’hiberner

Mais surtout… Dans un article publié en 2020, des chercheurs expliquent avoir trouvé dans les défenses de Lystrosaurus le plus ancien témoignage d’hibernation. En effet, comme dans les troncs d’arbre, on peut voir des cernes dans les défenses. Leur taille révèle le degré d’activité de l’animal. La capacité à entrer en état de vie ralentie fut assurément un atout pour survivre à l’extinction du Permien-Trias. Ce lointain ancêtre des mammifères actuels s’est répandu sur toute la surface du supercontinent de la Pangée.

Combustion de charbon et d’hydrocarbures lors de l’éruption sibérienne, pluies acides, destruction de l’ozone… Les changements observés lors de l’extinction Permien-Trias présentent des parallèles troublants avec ce qui se joue actuellement sur Terre.


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