Pourquoi les fougères ont-elles persisté alors que toutes les autres plantes ont péri ?

Jan 03, 2024

CI-DESSUS : Les fougères ont rebondi beaucoup plus rapidement que les autres plantes après l'impact du météore qui a anéanti les dinosaures. © ISTOCK.COM, DASZA64

Selon la dernière hypothèse des scientifiques, c'était probablement une chaude journée de printemps dans l'hémisphère nord lorsque l'astéroïde destructeur de dinosaures a percuté la Terre il y a environ 65 millions d'années. Dans la tempête de feu qui a suivi et le soi-disant hiver d'impact qui a suivi, les forêts de conifères luxuriantes et imposantes qui avaient marqué le Crétacé ont disparu, et pendant environ une décennie, il n'y a eu que froid et obscurité. Même après le retour de la lumière, il a fallu des milliers d'années à la vie pour revenir, inaugurant une nouvelle ère dominée par les mammifères et les plantes à fleurs d'aujourd'hui.

Les scientifiques peuvent facilement détecter cette extinction de masse du Crétacé-Paléogène (K-Pg ou KP) dans les archives géologiques grâce à une fine couche de pierre pâle enrichie en iridium, un élément chimique libéré lors des impacts d'astéroïdes, qui sépare la roche des deux périodes. Mais depuis les années 1970, les géologues ont également noté l'existence d'une autre couche, juste au-dessus de celle riche en iridium, qui contient "beaucoup, beaucoup, beaucoup de spores de fougères fossiles" et pas grand-chose d'autre, explique Ellen Currano, paléobotaniste à l'université. du Wyoming. "Nous voyons très peu de conifères ou d'angiospermes ou quelque chose comme ça", ajoute-t-elle, amenant les chercheurs à surnommer la couche l'épi de fougère.

Les fougères ne sont pas mieux conservées dans les archives fossiles que d'autres types de plantes, et leur explosion en abondance au cours des siècles qui ont suivi l'impact de l'astéroïde suggère que "quelque chose à propos des fougères signifie qu'elles se sont bien comportées dans ces conditions", explique Currano. Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer le pic. Les fougères sont robustes, souvent les premières à percer les champs de lave, par exemple, tandis que leurs spores, qui sont plus petites que la poussière et capables de se disperser sur de grandes distances, peuvent rester dormantes pendant des décennies. Et contrairement à de nombreux arbres, qui ne peuvent pas repousser à partir de leurs seules racines, les fougères repoussent après des dommages aériens grâce à des tiges souterraines appelées rhizomes, qui peuvent avoir été isolées des tempêtes de feu de surface. Malgré ces suppositions, "personne n'a jamais pris la peine de comprendre, du point de vue biologique, de quoi il s'agissait", explique Emily Sessa, biologiste de l'évolution des plantes à l'Université de Floride.

Les beaux jours de ce mini-Crétacé sont comptés.

Maintenant, enfin, Sessa, Currano et leurs collègues peuvent avoir la chance de le faire. En 2019, la NASA a financé la proposition de recherche du groupe dans le cadre de l'intérêt de l'agence à explorer la façon dont les organismes réagissent aux environnements extrêmes, y compris ceux qui se sont produits lors des extinctions massives de la Terre. Sessa et Jarmila Pittermann, écophysiologiste des plantes à l'Université de Californie (UC) à Santa Cruz, utilisent une serre pour créer des conditions de type Crétacé et, à un moment donné, déclencheront un impact de météore simulé. Les plantes sans méfiance à l'intérieur comprennent des angiospermes, des gymnospermes et des fougères aux deux stades de la vie des plantes : le grand sporophyte reconnaissable et le gamétophyte beaucoup plus petit, ressemblant à de la mousse. En tandem, Currano et Regan Dunn, paléoécologue au La Brea Tar Pits and Museum de Los Angeles, exploitent des spécimens de musée et se rendent dans des sites K-Pg bien connus du Colorado, du Montana et du Wyoming pour comparer les plantes de serre aux fougères fossilisées. feuilles et spores de l'époque de l'anomalie de l'iridium et de l'épi de fougère.

"Globalement parlant, il y a trois façons d'étudier le passé : vous pouvez lire directement à partir des archives fossiles, vous pouvez rechercher des analogues contemporains dans le monde qui nous entoure, ou vous pouvez utiliser une approche expérimentale... pour simuler l'événement", explique Jonathan Wilson, un paléobotaniste au Haverford College en Pennsylvanie qui a déjà collaboré avec Pittermann mais n'est pas impliqué dans les travaux en cours. Ce projet, dit-il, "est une approche tellement nouvelle pour un grand événement comme celui-ci" car il implique les trois. "Je pense que cela nous aidera à préparer le terrain pour de futures expériences."

Le projet a connu quelques ratés jusqu'à présent. L'équipement peut être capricieux, dit Pittermann au scientifique, et le travail a été retardé d'un an par la pandémie de COVID-19, lorsque les campus ont fermé et qu'il est devenu difficile de se procurer des plantes et d'autres matériaux. Aujourd'hui encore, alors que les travaux sont bien avancés, "il ne reste plus qu'à espérer que rien ne se passe mal, que l'équipement ne casse pas, que les usines ne surchauffent pas", déclare Pittermann. "C'est le genre de choses qui m'empêchent de dormir la nuit, littéralement juste les aspects pratiques."

Reconstruire les conditions environnementales avant l'impact de l'astéroïde a également pris du temps et une vaste documentation sur le paléoclimat. Pour l'instant, Pittermann fait pousser les plantes dans la serre de Santa Cruz à environ 25 °C le jour et 17 °C la nuit, en maintenant une humidité élevée et en maintenant le dioxyde de carbone à 1 000 parties par million. Cette première phase dure maintenant depuis plusieurs mois et l'équipe a récemment collecté son premier lot de données, notamment le moment et l'étendue de la germination des spores, la croissance des plantes, la morphologie cellulaire et les métabolites.

Les beaux jours de ce mini-Crétacé sont bien sûr comptés. Bientôt, l'astéroïde frappera. La serre sera recouverte de bâches pour bloquer la majeure partie de la lumière et la température chutera en dessous de 10 °C. Un technicien de laboratoire peindra périodiquement les feuilles des plantes avec une solution diluée d'acide sulfurique pour imiter les pluies acides. (L'équipe ne peut pas risquer que l'équipement de surveillance sensible soit endommagé par la brumisation, donc tout devra être fait à la main, explique Pittermann.) Sessa mène une expérience similaire dans des chambres de croissance dans son laboratoire en Floride en se concentrant sur les plus petits gamétophytes. .

Pendant ce temps, Currano et Dunn utiliseront leur expertise combinée pour relier les résultats à ce qui est visible dans les archives fossiles. Currano a extrait des fossiles rares de feuilles de fougère des collections de musées pour les comparer aux échantillons de serre, tandis que Dunn utilise un proxy qu'elle a précédemment développé sur la base d'analyses microscopiques de la morphologie des feuilles pour estimer la quantité de lumière qu'une plante fossilisée a reçue lorsqu'elle était vivante. Les résultats sont préliminaires, mais Dunn dit au scientifique que son approche semble enregistrer des changements dans les niveaux de lumière de la canopée juste avant la couche riche en iridium jusqu'à juste après, un schéma qui pourrait être cohérent avec les effets écologiques d'un impact.

Jeffrey Benca, un paléobotaniste expérimental à l'UC Berkeley, dit que le projet semble extrêmement difficile. Bien qu'il ne soit pas impliqué dans cette recherche, Benca a passé des années à préparer sa propre expérience d'extinction, qui se concentrait sur la plus grande extinction de masse connue au monde : un événement qui s'est produit il y a environ 250 millions d'années appelé The Great Dying. Avant de commencer son expérience, Benca a défié les bonsaïs conifères dans des conditions stressantes - plein soleil, faible teneur en nutriments et très peu de sol - pendant un an pour les préparer à affronter des mois de "rayonnement UVB qui tueraient probablement la plupart des organismes aquatiques en quelques minutes", pour déterminer si la dégradation de l'ozone à la suite d'éruptions volcaniques pourrait expliquer un motif étrange de pollen difforme dans les archives fossiles. Il a découvert que les radiations ne faisaient pas que malformer le pollen, elles stérilisaient les arbres, tuant potentiellement des forêts entières.

Benca dit qu'il se demande comment l'équipe qui étudie l'impact de l'astéroïde va démêler les effets de tant de variables. Il n'a modifié qu'un seul paramètre, l'exposition aux UV, dans son étude pour être sûr de pouvoir identifier une cause claire. "Une fois que vous devez tester plusieurs variables, il devient beaucoup plus difficile de déterminer ce qui cause réellement le signal et quelles variables sont vraiment importantes", dit-il.

Il y a la considération supplémentaire que, même si les anciennes lignées végétales persistent aujourd'hui, il n'est pas clair si les plantes de serre réagiront comme leurs prédécesseurs l'auraient fait il y a 65 millions d'années. Cependant, les chercheurs qui se sont entretenus avec The Scientist pensent que les aspects fondamentaux de la biologie végétale, y compris celle des fougères, sont restés largement figés depuis le Crétacé. "Quand vous regardez quelque chose comme le KP, c'est en fait un événement idéal à étudier parce que nous avons l'impression de connaître la distribution des personnages", déclare Wilson. "Il est donc particulièrement adapté à ce type d'approche."

Ces travaux pourraient un jour aider les scientifiques de la NASA à envisager des objectifs extraterrestres : si les fougères sont suffisamment robustes pour survivre à l'une des cinq plus grandes extinctions de masse, elles pourraient également être un premier pas vers la terraformation de Mars, par exemple. Le projet pourrait également faire beaucoup pour éclairer la biologie des fougères, dont on sait si peu de choses. "En général, si vous posez n'importe quel type de question que vous pouvez imaginer sur l'écologie ou l'évolution des plantes, il y a de fortes chances que la réponse chez les fougères soit" Nous ne savons pas "ou" Nous devons en savoir plus "", déclare Sessa. "Cela en a fait un groupe vraiment amusant sur lequel travailler."

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