Section 18 Terre et planètes telluriques : structure, histoire, modèles

5. Terre vivante

5.1. Interactions entre la géosphère et la biosphère

En plus d'une partie descriptive de la vie du passé, les paléontologues cherchent à comprendre les processus impliqués dans les transitions évolutives à l'échelle des phénotypes, la dynamique de la biodiversité au cours des temps géologiques, ses forçages biotiques et abiotiques, et les interactions entre biosphère et géosphère. Cette ambition nécessite par essence une approche hautement interdisciplinaire regroupant les compétences conjointes des paléontologues, géologues, biologistes, géochimistes, physiciens, mathématiciens et modélisateurs. D'après l'analyse de l'activité des chercheurs de la section 18 durant la période 2010-2014, plusieurs volets multidisciplinaires novateurs émergent :

Évolution des formes et des fonctions dans les environnements du passé

Les paléontologues de la section 18 utilisent de plus en plus, et avec succès, de nouvelles technologies (par ex : plates-formes informatiques de reconstitution 3D, microtomographie par rayons X conventionnelle ou par rayonnement synchrotron, spectrométrie synchrotron) qui permettent d'accéder à des données morpho-anatomiques jusqu'alors inaccessibles ou d'explorer la structure de fossiles à conservation exceptionnelle (tissus mous, pigments, traces d'activité) avec un niveau de résolution inégalé. Ces études sont à l'origine d'une véritable renaissance de l'étude de l'évolution des formes, des relations entre morphogénèse, ontogénèse et phylogénèse, ainsi que des relations entre forme, fonction et environnement.

Paléophysiologie et paléoécologie

La mise en synergie des données morpho-anatomiques et biogéochimiques issues des fossiles apporte des informations sur leur physiologie et leur écologie, permettant ainsi d'analyser les relations entre forme et mode de vie. Les progrès considérables dans la géochimie appliquée aux objets fossiles, permettent d'approcher la thermo-physiologie des organismes (par ex. : physiologie des reptiles marins et continentaux Mésozoïques), ainsi que leur régime alimentaire et leur position dans le réseau trophique. Cette double approche morphologique et géochimique tend à s'imposer comme une voie majeure dans l'étude fonctionnelle et écologique des organismes fossiles. Elle permet aussi le calibrage de traceurs pour les reconstitutions paléo-environnementales et paléo-climatiques. Les analyses du réseau trophique dans l'enregistrement fossile, permettent de mieux déceler comment se structure la biodiversité et sa dynamique au cours des temps géologiques. De nombreux travaux se focalisent sur les conditions environnementales qui ont favorisé l'émergence d'espèces ou d'organismes ayant un rôle fonctionnel « clé » dans les écosystèmes. Les paléontologues utilisent aussi des approches expérimentales pour l'interprétation des écosystèmes anciens.

Taphonomie expérimentale et préservation

Les communautés françaises de paléontologues et de géomicrobiologistes interagissent de plus en plus, pour comprendre les conditions paléo-environnementales, les transformations chimiques et physiques qui permettent la conservation des fossiles. L'atelier type est celui des gisements à conservation exceptionnelle ou Lagerstätten. Le point crucial pour tester la véracité du registre fossilifère est de quantifier les biais qui affectent sa préservation. Par exemple, il s'agit de mieux cerner le rôle de l'activité microbienne dans la destruction/préservation des organismes. En effet, cette activité microbienne a souvent une signature biogéochimique particulière en fonction du type d'environnement. La taphonomie expérimentale offre une clé pour mieux comprendre les processus de transformations diagénétiques afin de déconvoluer les signatures biologiques, géochimiques et environnementales originelles.

Tempo et mode des crises biologiques

Certaines compilations disponibles sur la biodiversité au cours du temps géologique souffrent encore d'une résolution stratigraphique faible, se situant souvent au niveau du système ou de l'étage. Des approches paléo-écologiques et paléo-biogéographiques doivent être développées à plus haute résolution temporelle possible pour élucider le rythme et les modalités des extinctions et des radiations, afin de tester les divers scénarios des causes possibles de crises biologiques. L'analyse des changements de la paléo-biodiversité en lien avec les fluctuations paléo-environnementales permet aussi de replacer dans une perspective historique les nombreuses interrogations scientifiques et sociétales sur le changement global actuel.

Couplages entre l'évolution de la vie et celle du climat à différentes échelles spatiales et temporelles

Comprendre les interactions entre biodiversité et climat, les nombreuses rétroactions existant entre la biosphère et les changements climatiques et géochimiques de la Terre, reste un questionnement fondamental. Parmi les aspects novateurs, il faut souligner que la communauté des modélisateurs interagit de plus en plus avec les communautés de paléontologues et de biologistes. Il en résulte une meilleure prise en compte de la composante biotique dans les modèles climatiques. Ainsi, par exemple, les interactions entre les mécanismes de bio-calcification des micro-organismes planctoniques et les variations du CO2 atmosphérique et de la chimie de l'eau de mer sont maintenant prises en compte.

Recommandations : Un manque inquiétant d'expertises fondamentales dans le domaine de la paléontologie, en particulier dans le domaine de la systématique et de la biostratigraphie, commence à se faire sentir. Par ailleurs, il manque dans la communauté française un développement de la biochronologie quantitative. La biostratigraphie est un outil d'excellence pour les datations et les corrélations stratigraphiques qui sont fondamentales pour tracer l'histoire de la Terre, et comprendre les interactions entre biosphère et géosphère. Ses applications sont évidentes, que ce soit dans le monde de la recherche académique ou dans le monde de l'industrie.

5.2. Interactions vivant/minéral

Au sein de la section 18, la géobiologie est un champ de recherche en plein essor, qui intègre les compétences des minéralogistes, des géochimistes et des biologistes. Plusieurs chercheurs de la section sont désormais internationalement reconnus dans ce domaine et ont développé des protocoles analytiques de pointe (ex : analyses par spectrométrie synchrotron, analyse Raman à micro-échelle, MET à la nano-échelle, nanoSIMS, FIB).

Vie primitive, bio-signatures, milieux extrêmes

Divers laboratoires français sont engagés dans cette thématique porteuse. Certains se focalisent sur le développement de méthodes d'analyse permettant d'identifier, dans les sédiments, les bio-signatures géochimiques des micro-organismes primitifs susceptibles de renseigner sur leur nature, leur métabolisme et sur le fonctionnement des écosystèmes primitifs. Les principaux défis auxquels sont confrontés les scientifiques sont : 1) Caractériser l'environnement lié à l'apparition et au développement des premières formes de vie pré-cellulaires et cellulaires ; 2) Expliquer l'origine de la photosynthèse et l'oxygénation de l'atmosphère ; 3) Comprendre le contexte environnemental de l'apparition des eucaryotes. L'étude des adaptations des organismes aux conditions environnementales extrêmes (ex : température, pression, salinité, milieux profonds abyssaux et souterrains) permet, quant à elle, de tester les différents modèles qui prédisent ou non les conditions du développement de la Vie dans des conditions extrêmes.

La biosphère microbienne et les cycles biogéochimiques de la planète

La découverte récente de niches microbiennes dans le manteau océanique hydraté, ainsi que dans les dépôts salifères géants, ouvre de nouvelles pistes de recherche extrêmement intéressantes. Les péridotites pourraient constituer le plus grand habitat microbien sur Terre. Négligée jusqu'à présent dans les modèles globaux du carbone, cette vie intra-terrestre semble toutefois jouer et avoir joué un rôle clé dans l'évolution de notre planète en tant que médiateur des flux élémentaires entre lithosphère, océans et atmosphère. Il reste aussi à élucider le rôle dans le cycle du soufre et du carbone de la vie microbienne identifiée dans les dépôts salifères géants, connus depuis le Néo-protérozoïque.

De même, les carbonates sédimentaires formés par diagénèse microbienne des silicates détritiques et par oxydation microbienne du méthane constituent un puits de carbone considérable qui n'était pas comptabilisé auparavant dans les modèles du cycle géologique du carbone. Les cyanobactéries ont aussi joué un rôle majeur dans la formation des carbonates de calcium, qui a été considéré comme un processus extra-cellulaire. Des géomicrobiologistes français ont découvert récemment la biominéralisation intracellulaire des carbonates amorphes par certaines cyanobactéries, révélant une voie inexplorée pour la calcification.

Des approches expérimentales concernent la séquestration minérale in situ du CO2 dans les basaltes et les roches ultrabasiques en milieu biotique et abiotique, ainsi que la précipitation des carbonates en présence de bactéries et de cyanobactéries. Ces approches ont tout autant un intérêt dans la recherche fondamentale (comprendre le rôle de la biocalcification microbienne dans les écosystèmes du passé et actuel) que des retombés très importantes dans les intérêts sociétaux et industriels (capture et stockage de CO2).

Mécanismes de bio-minéralisation

L'intervention des organismes dans la formation de minéraux carbonatés est un aspect fondamental du cycle géologique du carbone. Ces dernières années, des progrès considérables ont été faits dans l'analyse structurale et biochimique des biominéraux, depuis la morphologie jusqu'à l'échelle infra-micrométrique et atomique. Des approches intégratives très prometteuses entre biologie et sciences de la terre ont été développées pour déceler les mécanismes, à l'échelle moléculaire, des biominéralisations carbonatées. L'approche protéomique (caractérisation de protéines dans la matrice organique des biominéralisations), et quand cela était possible, la combinaison protéomique-transcriptomique est ainsi la clef pour mieux comprendre l'origine et l'évolution des biominéralisations carbonatées.

La présence de phases organiques dont les compositions sont propres à chaque groupe biologique détermine la nature du polymorphe (calcite ou aragonite) et affecte probablement ses modalités de cristallisation, constituant l'origine des caractéristiques spécifiques (chimiques ou isotopiques) des phases cristallisées (« effet vital »). Le contrôle de la matrice organique sur l'incorporation dans les squelettes/coquilles des traceurs géochimiques paléoenvironnementaux (isotopes stables et éléments traces) est encore peu connu. L'approche biochimique couplée aux analyses géochimiques pourrait permettre une meilleure compréhension des mécanismes d'incorporation ou fractionnements de ces traceurs.