Des géochimistes et paléontologues viennent de percer les secrets enfouis dans les isotopes du calcium de dents fossilisées. Grâce à une méthode inédite, ils proposent un nouveau scénario pour comprendre la disparition des grands reptiles marins lors de l’extinction massive survenue il y a 66 millions d’années.

Pendant des décennies, diverses théories ont circulé pour expliquer la disparition relativement rapide de trois quarts des espèces animales et végétales vers la fin du Crétacé, il y a 66 millions d’années. Parmi elles, la rencontre avec un astéroïde, une activité volcanique intense, la baisse du niveau des mers. Aujourd’hui, une étude franco-marocaine vient singulièrement affiner notre compréhension de l’histoire de notre planète, en apportant des éléments nouveaux sur les circonstances qui ont mené à l’extinction d’un grand nombre de prédateurs reptiles marins. En analysant les isotopesFermerLes isotopes d’un élément sont des atomes qui n’ont pas le même nombre de neutrons mais qui, possédant le même nombre de protons et d’électrons, sont dotés des mêmes propriétés chimiques. du calcium dans des fossiles de dents et d’os extraits d’un site marocain, les scientifiques ont reconstitué la chaîne alimentaire qui reliait nombre d’espèces marines. Selon eux, c’est la fragilité de cette chaîne qui a entraîné leur disparition .



« On est ce qu’on mange »

Les fossiles trouvés dans les anciens fonds marins indiquent que les océans grouillaient jadis de prédateurs reptiles, comme le plésiosaure, avec ses quatre palettes natatoires, ou le mosasaure, une sorte de lézard qui se propulsait dans l’eau grâce à ses membres en forme de pagaies palmées et sa longue queue. Mais, cette nouvelle étude le démontre, les fossiles ont d’autres choses à nous apprendre.



On ne connaît rien sur les chaînes alimentaires des espèces éteintes, en dehors de ce qu’on peut déduire de la forme de leurs dents. Le dicton « On est ce qu’on mange » trouve ici tout son sens, car la nourriture de ces créatures anciennes a, elle aussi, laissé des traces chimiques : dans leurs dents, leurs os et leurs tissus. Les chercheurs peuvent ainsi reconstituer les habitudes alimentaires des espèces éteintes en recherchant dans les fossiles des isotopes stables, qui ne se dégradent pas avec le temps.



L’élément chimique qui se prête particulièrement bien à cette analyse est le calcium, qui comprend plusieurs isotopes stables. Cela tombe bien : « Le calcium représente environ 40 % de l’émail des rares dents fossiles dont nous disposons », explique le géochimiste Vincent Balter, du Laboratoire de géologie de Lyon (LGLTPE ).

Auparavant, le chercheur avait participé à une étude montrant que la proportion en isotopes stables – et lourds – du calcium décroît avec l’élévation d’un animal dans la chaîne alimentaire . Mais cette étude antérieure avait examiné des dents plus récentes. Les chercheurs se demandaient désormais si les fossiles du Crétacé, malgré le passage du temps, pouvaient fournir des informations sur leur chaîne alimentaire. La question méritait d’être posée puisque, ajoute le géochimiste, « on ne connaît rien sur les chaînes alimentaires des espèces éteintes, en dehors de ce qu’on peut déduire de la forme de leurs dents ».

Des superprédateurs des mers

Des chercheurs du LGLTPE, du CR2P et de la branche Géologie de l’exportateur de phosphates marocain OCP , ont uni leurs forces pour analyser les échantillons fossiles de seize vertébrés marins, extraits d’une même couche sédimentaire dans le bassin des Ganntour, au Maroc. Datant du Maastrichtien (-72 à -66 millions d’années), dernier étage du Crétacé supérieur, il s’agissait de fossiles de dents de poissons, de requins, de plésiosaures et de mosasaures, ainsi que d’ossements de tortues. Vincent Balter explique que cette sélection était basée sur « des monstres emblématiques de cette ère, pour essayer de comprendre comment il pouvait exister tant de monstres marins à cette époque, et pourquoi ils n’avaient pas survécu ».

En ce qui concerne les espèces éteintes, Jeremy Martin, auteur principal pour le LGLTPE, juge les résultats « vraiment étonnants ». Les dents des plésiosaures et des mosasaures recélaient des proportions d’isotopes stables comparables à celles des superprédateurs actuellement au sommet de la chaîne alimentaire marine, en particulier les grands requins blancs. « Cette découverte, poursuit le chercheur, montre que tous les reptiles qui ont disparu à la lisière du Crétacé et du Paléogène étaient des superprédateurs piscivores dans l’écosystème marin du Maastrichtien. » Émerge ainsi l’image inattendue d’une époque où les superprédateurs voraces étaient abondants dans les mers – ce qui n’est pas le cas aujourd’hui.



Mais les similitudes entre plésiosaures et mosasaures ne se limitaient pas à leur statut de superprédateurs. Les quantités d’isotopes stables de calcium dans leurs échantillons respectifs se sont également révélées identiques – « nouvelle surprise », commentent les chercheuses Peggy Vincent et Nathalie Bardet, du CR2P. Et indice indiscutable que les animaux trouvaient leur calcium dans la même nourriture, qu’il s’agisse d’une ou de plusieurs espèces de poissons. « Jusqu’à présent, les paléontologues supposaient que ces reptiles parvenaient à coexister grâce à leurs différences de régimes alimentaires ; nous comprenons désormais qu’ils étaient en compétition les uns avec les autres. »



Reconstituer les chaînes alimentaires passées

Les chercheurs font de cette rivalité entre plésiosaures et mosasaures la clé de leur vulnérabilité : la région qui a livré les fossiles abritait des proies peu diversifiées mais très abondantes et le contrôle de leur chaîne alimentaire s’exerçait « de bas en haut » : à la moindre raréfaction des espèces de poissons qu’ils se disputaient, la survie des reptiles était engagée. C’est exactement ce qui s’est passé à la fin du Crétacé, lorsque la majorité des espèces appartenant au plancton a disparu, durant l’épisode d’extinction massive. Les poissons qui se nourrissaient de plancton – source d’alimentation vitale des plésiosaures et mosasaures – se sont raréfiés, entraînant la disparition des reptiles.

L’équipe de Vincent Balter s’intéresse à présent aux « modes alimentaires de la famille emblématique des dinosaures, même s’il sera plus difficile d’examiner des fossiles continentaux éparpillés que des fossiles marins qui viennent tous du même endroit ». Mais le chercheur a bon espoir : selon lui, l’analyse des isotopes stables du calcium recèle des « applications presque illimitées » pour établir les chaînes alimentaires du passé lointain.

Une méthode inédite

Si les mesures de compositions isotopiques sont monnaie courante en géologie, cela fait à peine dix ans que des laboratoires développent des méthodes pour transposer ce savoir-faire à la biologie. « Le défi aujourd’hui est de passer de l’échantillon géologique à un échantillon biologique, qui est évidemment beaucoup plus complexe », nous explique Emmanuelle Albalat, ingénieure d’études en charge du développement de nouveaux protocoles au LGLTPE. C’est d’ailleurs grâce à une méthode inédite, développée avec ses collègues en 2014 , que les études sur les dents fossiles ont pu être réalisées.



Le calcium représente environ 40 % de l’émail des rares dents fossiles dont nous disposons. Cette méthode est la première à être suffisamment robuste pour être utilisée sur une grande variété d’échantillons biologiques (tissus mous, dents, sang, nourriture, par exemple). Les isotopes stables d’un élément – ici le calcium des os et des dents – gardent une signature spécifique à l’alimentation. On peut donc reconstituer les chaînes alimentaires d’animaux fossiles ou bien retrouver dans des dents fossiles des signatures très marquées comme celle du lait.

« Nous avons cherché à mesurer les isotopes du calcium, avec ce qu’on appelle un spectromètre de masse à source plasma et à multi-collection (MC-ICPMS). Mais avant cela, il fallait réussir à obtenir un échantillon totalement pur, soit 100 % de l’élément, et rien d’autre », raconte-t-elle. Cette purification est faite via une chromatographie par échanges d’ions : après avoir prélevé quelques milligrammes d’un échantillon (une dent fossile, par exemple), l’avoir dissous dans de l’acide, la solution passe au travers de colonnes contenant les résines échangeuses d’ionsFermerCes résines ont des affinités différentes avec les métaux en fonction de l’éluant utilisé., ce qui permet de séparer l’élément voulu – ici, le calcium – de tous les autres. « Tous les éléments indésirables vont en quelque sorte tomber, alors que le calcium va rester accroché », détaille l’ingénieure. Ensuite, la solution « pure » va pouvoir être introduite dans le spectromètre de masse. La source utilisée est un plasma d’argon chauffé à 8 000 degrés qui permet au calcium de s’ioniser, puis les ions vont être séparés en fonction de leur masse et collectés simultanément. Cette méthode permet de réaliser des mesures de rapports isotopiques d’une grande précision. « Pour le moment, il n’y a pas encore de standards isotopiques certifiés en biologie. À chaque nouvelle méthode, il faut donc proposer à la communauté de nouvelles références en publiant nos valeurs qui pourront être comparées par d’autres équipes et faire ainsi avancer les mesures de composition isotopique des métaux en biologie », conclut Emmanuelle Albalat, qui se penche actuellement sur les analyses d’isotopes du fer qui, couplés à ceux du calcium dans des ossements humains par exemple, pourront révéler plus d’éléments sur la santé de nos ancêtres.

