RR - 17/04/17 - 582664219 - 1/7 Termle S Chapitre 2.1 1,5 semaine Couplage des événements biologiques et géologiques au cours du temps ► TP 1. La limite Crétacé-Paléocène à Bidart I. À la limite Crétacé-Tertiaire une crise biologique affecte toute la planète A. Avant - 65 Ma la biosphère est dominée par des groupes aujourd'hui disparus ou réduits B. À - 65 Ma, un grand nombre d'espèces disparaissent rapidement C. À partir de - 65 Ma, les groupes survivants prennent leur essor II. La limite Crétacé-Tertiaire est marquée par des événements géologiques A. Le dépôt d’une couche d'argile particulière B. Deux événements majeurs à l’échelle du globe C. Un scénario catastrophe « l'hiver d'impact » III. Les crises biologiques sont des repères dans l'histoire de la Terre A. Depuis 600 Ma les crises biologiques se sont succédées B. Une crise biologique est toujours corrélée avec un ou des événements géologiques majeurs C. L'évolution biologique est soumise au hasard des événements géologiques OBJECTIF Depuis l'apparition de la vie, la Terre est le siège d'interactions entre le monde vivant et les enveloppes fluides et solides de la planète. On cherche à préciser en quoi des événements géologiques ont été particulièrement importants sur les changements de la biosphère. ► TP 1. La limite Crétacé-Paléocène à Bidart I. À la limite Crétacé-Tertiaire une crise biologique affecte toute la planète ► FIGURE 1. Le calendrier géologique dans Nathan p. 388. Le programme parle de limite (ou crise) Crétacé-Tertiaire mais ses textes d'accompagnement parlent aussi parfois de limite (ou crise) Crétacé-Paléocène. Cela signifie la même chose car le Paléocène est la première partie de l'ère Tertiaire. Les enseignants de lycée préfèrent souvent le terme Crétacé-Paléocène (qui est à utiliser RR - 17/04/17 - 582664219 - 2/7 pour le bac). Les universitaires utilisent plutôt le terme Crétacé-Tertiaire qu'ils notent aussi K/T. N.B. Le Maastrichien est la dernière partie (étage) du Crétacé et le Danien est la première partie (étage) du Paléocène. ► FIGURE 2. Histoire de la vie et extinctions dans Nathan p. 383. Apparitions et extinctions d'espèces s'échelonnent dans le temps. On en constate à toutes les époques. Généralement, le rythme auquel se renouvellent les espèces n'est pas constant (les espèces ont une durée de vie très variable). Cependant, à certaines époques, des extinctions affectent préférentiellement certains groupes, on parle d'extinctions en masse. A. Avant - 65 Ma la biosphère est dominée par des groupes aujourd'hui disparus ou réduits ► FIGURE 3. Dalle à Ammonites dans Nathan p. 371. On appelle taxon, un groupe quelconque d'êtres vivants (espèce, genre, famille, ordre, embranchement). Le milieu continental est dominé par les Gymnospermes (proches des conifères actuels), les Amphibiens et les Reptiles, dont les Dinosaures. Dinosaure vient du grec deinos, terrible et saura, lézard. Le groupe est apparu au début de l'ère secondaire (Trias). Dans le milieu océanique les Poissons sont bien représentés aux côtés des Ammonites (Mollusques Céphalopodes) et des Foraminifères (Protozoaires à test (= coquille) siliceux ou chitineux). Les Coccolithophoridés (algues planctoniques unicellulaires) sont à l'origine des dépôts de craie (d'où le terme "Crétacé") et les Rudistes (Mollusques bivalves) construisent d'énormes récifs (comme les Coraux). ► FIGURE 4. Évolution des Reptiles dinosauriens dans Nathan p.374. B. À - 65 Ma, un grand nombre d'espèces disparaissent rapidement Accompagnement. Il est attendu des élèves qu'ils puissent citer, parmi les formes disparues, les ammonites, les dinosaures, les foraminifères (...) aucune espèce n'est à retenir. De même, aucune liste n'est exigible en ce qui concerne les formes qui survivent à la crise, et celles qui apparaissent à la suite de celle-ci. Les Ammonites et Dinosaures disparaissent entièrement et les Foraminifères deviennent rares. Parmi les Reptiles, outre les Dinosaures, disparaissent aussi les Plésiosaures et les Ichtyosaures (reptiles marins) ainsi que les Ptérosaures (reptiles volants). De même, les Rudistes disparaissent entièrement et les populations de Coccolithophoridés, Gymnospermes et Fougères sont fortement réduites. De manière générale, les végétaux chlorophylliens semblent peu touchés (sauf les Coccolithophoridés). En milieu océanique, les animaux benthiques (= qui vivent sur le fond) et la microfaune profonde résistent mieux que les animaux pélagiques (= qui nagent (= necton) ou qui flottent (= plancton)). Ammonites (et Bélemnites (Mollusques Céphalopodes)) vivaient en surface. ► FIGURE 5. Vertébrés ayant survécu à la crise et radiation évolutive dans Bordas p. 190. ► FIGURE 6. Évolution des Mammifères dans Nathan p.375. ► FIGURE 7. Formations de Hell Creek (Montana, U.S.A.) dans Nathan p.374375. RR - 17/04/17 - 582664219 - 3/7 C. À partir de - 65 Ma, les groupes survivants prennent leur essor Accompagnement. En ce qui concerne la diversification après la crise, on se limite à un constat. Certains groupes subissent des pertes mais survivent à la crise (Mammifères (apparus à - 210 Ma), Oiseaux, Poissons, Insectes, Gastéropodes, Fougères, Plantes à fleurs (graminées), Nummulites (Foraminifères)). Les Mammifères Placentaires se diversifient au détriment des Marsupiaux. Ces groupes sont alors l'objet d'une radiation adaptative, c'est à dire d’une phase intense de diversification et de spéciation. Ils occupent toutes les niches écologiques abandonnées par les groupes disparus. On appelle niche écologique la place qu'occupe une espèce d'un écosystème dans l'espace ET dans le réseau trophique (= réseau alimentaire). Quand deux espèces occupent la même niche écologique, elles sont en compétition. Si l'une est mieux adaptée au milieu, elle se développe aux dépens de l'autre. Si les conditions de milieu (= le biotope) changent, les critères d'adaptation sont modifiés. L'espèce la plus répandue peut ne plus être la mieux adaptée alors que la moins répandue peut l'être. Cette dernière se développe alors de manière prépondérante et tend à occuper toute la niche écologique. Les extinctions et les diversifications datées de - 65 Ma sont interprétées de cette manière. Les modifications de faune et de flore constatées lors de la crise CrétacéPaléocène correspondraient à un changement du milieu de vie (= biotope), donc à un événement de nature géologique. Dans la biosphère comme dans la géosphère, une crise est une discontinuité majeure à l'échelle planétaire et à l'échelle des temps géologiques qui sépare des périodes de plus grande stabilité. II. La limite Crétacé-Tertiaire est marquée par des événements géologiques ► VOIR fig. 8a. Les marqueurs de la limite Crétacé-Paléocène dans Nathan p. 376. C’est l’équivalent des figures 8a et 8b. ► FIGURE 8b. Les marqueurs de la limite Crétacé-Paléocène dans Hatier p. 352. ► FIGURE 8c. Les marqueurs de la limite Crétacé-Paléocène dans Hatier p. 346 A. Le dépôt d’une couche d'argile particulière Dans le monde entier, chaque fois que la limite Crétacé-Paléocène est observable, on constate la présence d'une fine couche d'argile (10 à 50 cm d'épaisseur) toujours anormalement riche en : - iridium qui est rare dans la croûte (on le trouve plutôt dans le manteau et dans le noyau) ; La couche d'argile contient 10 à 100 ng/g d'iridium alors que les sédiments terrestres en contiennent environ 0,5 ng/g. - quartz choqués qui présentent, au microscope, une striation correspondant à une déformation sous l'effet d'un choc intense ; - spinelles nickélifères = magnétites nickélifères qui sont des cristaux qui se forment par fusion (dans un milieu riche en dioxygène), d'un matériel riche en nickel (qui est, avec le fer, un élément très abondant du noyau). On y trouve en outre : RR - 17/04/17 - 582664219 - 4/7 - des tectites, qui sont des sphérules de verre ; - de la suie en divers endroits. Quelle que soit la nature des sédiments du secondaire, situés en dessous, et tertiaires, situés en dessus, la couche d'argile est partout de même nature. On en déduit qu'elle a été transportée par voie aérienne, à la suite d'un événement géologique à l’échelle mondiale. La couche d'argile à iridium (datée de - 65 Ma) sert de repère temporel à l'étude des changements biologiques qui ont affecté la diversité du monde vivant. On observe en outre : - une diminution de la sédimentation carbonatée liée à une diminution du nombre d'organismes planctoniques ; - un dépôt de matière organique lié à la sédimentation de cadavres (cf. I.B). B. Deux événements majeurs à l’échelle du globe Accompagnement. Il n'y a pas lieu d'engager une discussion sur l'importance relative des deux hypothèses. ► VOIR fig. 9a. Cratère de Chicxulub dans Nathan p. 377. Equivalent à la figure 9b. ► FIGURE 9b. Cratère de Chicxulub dans Hatier p. 347. 1. Un impact de météorite géant (= événement cosmique) Un(e) météorite géant(e) s'est écrasé(e) à Chicxulub (dans la péninsule du Yucatan au Mexique). Le cratère d'impact (300 km de diamètre et contenant une brèche chaotique = mélange de fragments de roche de taille variée) correspond à un objet de 10 km de diamètre ayant frappé la Terre à grande vitesse (20 km/s). Cela peut expliquer des particularités de la "couche à iridium" : - l'iridium est relativement abondant dans les météorites pierreuses (500 ng/g), de type mantelique, et très abondant dans les météorites métalliques, riches en fer et en nickel, de type noyau ; - les quartz choqués pourraient provenir de l'impact et les spinelles nickélifères = magnétites nickélifères pourraient avoir une origine météoritique. Les tectites se seraient formées lors de la fusion de la croûte océanique sous l'effet de l’impact. ► FIGURE 10. Une forte activité volcanique dans Nathan p. 377 2. Une énorme éruption volcanique (= événement géologique) Les trapps du Deccan (Inde) sont formés de coulées de basalte sur 2400 m d'épaisseur et 1 million de km2 de surface à l'origine. L'activité volcanique aurait duré 500 000 ans (c'est à dire peu de temps à l'échelle géologique) et correspond au passage de l'Inde sur le point chaud de la Réunion. Trapps (du suédois escalier) : empilement régulier, sur d'importantes épaisseurs, de coulées volcaniques dont les flancs ressemblent à des marches d'escalier. Outre CO2 et SO2 gazeux, les points chauds actuels libèrent de l'iridium puisé dans le manteau. Des quartz choqués ont été retrouvés dans des échantillons provenant d'explosions volcaniques récentes. Les tectites peuvent avoir été libérées par les volcans. À la fin du Crétacé un refroidissement climatique associé à une importante régression marine (- 200 m, avec réduction de la taille des écosystèmes marins et climat continental plus sec qu'auparavant) ont été mis en évidence. Cela pourrait aussi expliquer certaines extinctions. RR - 17/04/17 - 582664219 - 5/7 C. Un scénario catastrophe « l'hiver d'impact » L' impact météoritique libère d'énormes quantités de poussière (aérosols), et de vapeur d'eau (l'impact a eu lieu en milieu océanique). Aérosol : suspension de particules très fines dans l'air (ou un autre gaz). La présence de sulfates (gypse et anhydrite) dans les formations de Chicxulub aurait permis la projection d'aérosols riches en SO2. Les éruptions volcaniques projettent dans la haute atmosphère des cendres et des aérosols (mélanges gazeux d'acide sulfurique, de chlore, etc.) et de la vapeur d'eau. Dans un premier temps les cendres, les aérosols et la vapeur d’eau augmentent l'albédo (= quantité d'énergie solaire réfléchie) et obscurcissent l'atmosphère. Des composés halogénés (comme le fluor) des gaz volcaniques altèrent alors l'ozone stratosphérique. Bilan radiatif = énergie solaire reçue - énergie réfléchie - énergie rayonnée = 0 à l'équilibre Le bilan radiatif de la Terre diminue, la planète refroidit, la photosynthèse est très perturbée (voire impossible) par manque de lumière. Les pluies rabattent les aérosols (pluies acides qui contribuent à détruire des végétaux) ainsi que les cendres et les poussières qui, après altération, participent à la naissance à la couche d'argile à iridium. Les marnes du Crétacé subissent une altération. La partie carbonatée est dissoute, ce qui entraîne un augmentation de la quantité de CO2, du pH des mers et participe à la formation de la couche d'argile (Nathan p. 387). Dans un deuxième temps (quand les cendres sont tombées au sol) l'augmentation de la teneur de l'air en CO2 provoque une brusque remontée des températures par effet de serre (sécheresses sévères et incendies). Au bilan, ce sont le froid, l'interruption des chaînes alimentaires et la sécheresse à l'échelle de la planète qui entraînent la disparition massive d'espèces. À ces effets climatiques s'ajoutent la dévastation liée aux incendies, aux séismes, et au méga tsunami qui accompagnent l'impact météoritique. ► FIGURE 11. Évolution de la biodiversité à trois périodes dans Nathan p. 378. III. Les crises biologiques sont des repères dans l'histoire de la Terre ► FIGURE 12. Crises biologiques et coupures des temps géologiques dans Nathan p. 384-385 A. Depuis 600 Ma les crises biologiques se sont succédées Accompagnement. On exige la reconnaissance de l'existence d'une crise, mais pas la mémorisation des crises autres que la crise Crétacé-Tertiaire, ni des marqueurs géologiques et biologiques qui les caractérisent. Cinq crises biologiques majeures ont été repérées : - à - 435 Ma (limite Ordovicien-Silurien) - à - 365 Ma (au Dévonien supérieur la limite Frasnien-Framennien) ; - à - 250 Ma (limite Permien-Trias= Primaire-Secondaire) où 95% des espèces dsparaîssent = plus grande crise connue ; - à - 205 Ma (limite Trias-Jurassique) ; RR - 17/04/17 - 582664219 - 6/7 - à -65 Ma (limite Crétacé-Paléocène ou Secondaire-Tertiaire). On estime qu'elles ont entraîné la disparition de 99,9% des espèces. En géologie on appelle coupure un repère chronologique défini par l'apparition et/ou la disparition d'espèces animales ou végétales au sein des formations stratifiées. Les crises biologiques sont de grandes coupures qui ont permis pour les derniers 600 Ma, au cours desquels les fossiles sont présents, un découpage des temps géologiques (= calendrier géologique) en ères et en périodes. On appelle fossile stratigraphique une espèce de grande extension géographique et d'existence courte (à l'échelle géologique), ce qui permet la datation. On l'oppose à fossile de faciès qui est lié à un milieu de sédimentation. Il existe d'autres coupures. Un étage (= âge) est défini par une association de fossiles stratigraphiques. Les étages sont regroupés en séries (= époques), qui sont regroupées en systèmes (= périodes) eux mêmes regroupés en ères. ► FIGURE 12. Crises biologiques et coupures des temps géologiques dans Nathan p. 384-385 ► FIGURE 13. Supprimée ► VOIR. Évolution biologique, événements cosmiques et activité volcanique depuis 250 Ma dans Nathan p. 379 et p. 384. ► FIGURE 14. Schéma bilan dans Nathan p. 389 B. Une crise biologique est toujours corrélée avec un ou des événements géologiques majeurs On appelle corrélation, un lien quelconque entre deux choses. On a vu qu'une crise biologique est liée un changement climatique global et brutal (à l'échelle géologique) entraînant une modification du biotope (= milieu de vie). Celui-ci peut avoir diverses origines géologiques : - un impact météoritique ; La recherche des cratères d'impact est difficile du fait de l'érosion et du renouvellement de la lithosphère océanique. - un épanchement volcanique de type trapps ; La plupart des trapps coïncident avec des extinctions en masse. Il sont cependant toujours légèrement décalés dans le temps. - le rapprochement ou le morcellement des continents qui entraîne une modification de la dynamique et enveloppes fluides et des variation d'intensité des climats continentaux, le cœur des grands continents a un climat très sec à forts contraste été/hiver ; - le taux d'expansion océanique (variation du volume des dorsales entraînants des variations du niveau marin) ; - etc. D'autres causes de variations climatiques, plus progressives, sont envisagées dans le programme de spécialité. Aucun de ces événements ne semble suffisamment puissant pour engendrer seul une crise, mais le cumul de plusieurs d'entre eux permettrait le franchissement d'un seuil critique entraînant la crise. Sur 26 (24 ?) extinctions recensées depuis 500 Ma, 6 sont associées à des traces d'iridium et de quartz choqués et 6 autres à des anomalies en iridium moindres sans indice d'impact météoritique. La datation absolue permet de dater on objet géologique, mais ne permet pas de relier une datation à un événement. À l'inverse, les crises biologiques attestent d'événements géologiques repérés dans le temps RR - 17/04/17 - 582664219 - 7/7 C. L'évolution biologique est soumise au hasard des événements géologiques Le fait que les événements géologiques à l'origine des crises soient indépendants des innovations génétiques, source de la diversité des espèces, confirme le caractère imprévisible de l'évolution : on dit qu'elle est contingente. BILAN ► FIGURE 1. Le calendrier géologique dans Nathan p. 388 (y placer les crises biologiques) ► FIGURE 14. Schéma bilan dans Nathan p. 389 Les crises biologiques correspondent à des extinctions massives causées par des changements climatiques à effet global. Accompagnement. En conclusion, on évoque l'action de l'Homme sur la biodiversité et sur les conditions physico-chimiques de la planète. Cette conclusion ne fera pas l'objet de questions au baccalauréat. Depuis presque deux siècles, l'Homme est susceptible d'agir à grande échelle sur son environnement par : - déforestation ; - libération de déchets (CO2 et polluants divers) et accidents industriels ; - utilisations massive de substances toxiques, etc. - réduction de la biodiversité Ces actions, s'ajoutant ou non aux facteurs géologiques, sont susceptibles d'influencer l'avenir de la planète et d'entraîner des extinctions en masse. POUR EN SAVOIR PLUS Une épouvantable hécatombe (crise Primaire Secondaire) dans La Recherche Dossier n° 19 - mai juillet 2005 D’une extinction à l’autre dans La Recherche - Dossier n° 19 - mai juillet 2005 Fin des dinosaures, la querelle relancée, météorite ou pas ? dans La Recherche n° 379 - octobre 2004