Evolution de la biodiversification cambro-ordovicienne dans le temps et dans l'espace – ECO-BOOST

L’analyse de la distribution spatio-temporelle des échinodermes cambro-ordoviciens a bien avancé à Lyon grâce au recrutement de Pauline Guenser (chercheuse CNRS contractuelle) qui a co-encadré deux stagiaires, Léa Trémeau (Master 2, Dijon) et Mellie Lauze (L3, Lyon) sur cette problématique ; un gros travail de compilation et de vérification a été effectué, afin de générer une nouvelle base de données (EBDB, Echinoderm Biodiversity Data Base), la plus complète possible pour les échinodermes cambriens et ordoviciens. Les premières cartes de distribution latitudinale des échinodermes cambriens ont été achevées fin juin 2024 et celles des formes ordoviciennes sont en cours. Ces travaux ont fait l'objet de communications à des congrès internationaux. L'analyse des différents biais (historique, d'échantillonnage, de préservation) affectant les bases de données paléontologiques (EBDB, GBDB, PBDB) a fait également l'objet de différentes analyses ; le biais lié à la taphonomie et à l'impact de la préservation exceptionnelle a été mis en avant dans le cadre de la description du Lagerstätte de Cabrières (https://lejournal.cnrs.fr/videos/sur-la-piste-des-fossiles-rares).

Nous avons commencé à analyser la distribution passée des conodontes en utilisant des modèles de niche écologique. Cependant, l'utilisation de ces modèles dans ce contexte présente de nombreuses limitations. En effet, les données fossiles sont incomplètes, et il est possible que la niche écologique ne soit pas correctement modélisée. Un élève ingénieur de l'IMT Atlantique travaille sur l'amélioration du modèle NPPEN en proposant un modèle itératif mixte NPPEN/Enveloppe convexe, afin de créer des pseudo-présences pour compléter le groupe d'observations utilisé pour la calibration du modèle.

Concernant la modélisation couplée climat-biodiversité, le projet prévoyait un début des travaux en 2025. Nous avons néanmoins profité des opportunités qui ne sont présentées à nous pour lancer plus tôt que prévu certains axes de recherche. Alexis Balembois a été engagé par l’UMR LOG, puis l’UMR Biogéosciences en qualité d’ingénieur de recherche, avant de poursuivre ses travaux dans le cadre d’une thèse de doctorat à l’UMR LOG (thèse co-encadrée par les partenaires LOG, Lyon et Biogéosciences). Ses résultats font l’objet d’un manuscrit en cours de préparation. Deux articles ont déjà été publiés, s’intéressant à l’évolution conjointe climat-biodiversité à l’échelle du Phanérozoïque. Deux autres articles se sont focalisés sur l’évolution des conditions environnementales au cours de périodes clés de l’évolution de la biodiversité du Paléozoïque. Ces changements d’organisation ont généré des résultats supplémentaires pour l’ANR sans pour autant remettre en question le travail prévu dans le projet. Il reste en effet 10.5 mois équivalents temps plein de financement à l’UMR Biogéosciences pour engager un post-doc dans les années à venir afin de réaliser le travail initialement proposé.

Ensemble, nos premiers résultats de modélisation couplée climat-biodiversité (Ontiveros et al., 2023; Pohl et al., 2023b) expliquent à la fois les forts taux d’extinction, et la forte augmentation de la biodiversité documentés au cours du Cambrien et de l’Ordovicien. Ils apportent donc un éclairage nouveau sur la dynamique très particulière de la biosphère marine à cette époque, et sur son couplage avec le climat (température océanique) et la biogéochimie océanique (oxygénation des eaux).

Un article en cours de préparation confirme les résultats publiés par Ontiveros et al (2023) en se fondant sur d’autres simulations paléoclimatiques. Dans cet article, l’impact du refroidissement de l’Ordovicien sur le GOBE est retrouvé en ajoutant dans le modèle la possibilité de spéciation allopatrique. A l’échelle du Phanérozoique, nous montrons que l’interaction niche-environnement est une interaction fondamentale qui permet d’expliquer les patrons de variabilité de la biodiversité et ses changements dans le temps et l’espace, ainsi que l’évolution temporelle de la biodiversité globale dans l’environnement marin des plateaux continentaux, ou proche des continents. La considération explicite de l’interaction niche-environnement dans les modèles issus de la théorie METAL (Macro Ecological Theory for the Arrangement of Life) permet aussi de prendre en considération l’influence du climat, du régime climatique, de la position et du taux de fragmentation des continents, de l’aire disponible autour des continents et de son influence sur l’hétérogénéité environnementale qui conditionne le nombre de niches mais aussi le nombre d’espèces créées par niche par spéciation allopatrique.

La découverte d'un nouveau Lagerstätte dans l'Ordovicien inférieur de la France («Cabrières Biota«; Saleh et al., 2024) confirme la persistance de nombreuses formes de «type cambrien« jusqu'au moins la fin du Floien et, par conséquent, l'existence d'un continuum évolutif entre Explosion cambrienne et GOBE. De plus, la diversité extrêmement élevée observée à ce site, alors pourtant situé à proximité du pôle Sud vient renforcer l'hypothèse d'un climat très chaud (greenhouse) à la fin du Cambrien / début de l'Ordovicien, compatible avec une migration des points chauds de diversité vers de plus hautes latitudes.

D'un point de vue scientifique, le projet ANR ECO-BOOST va conduire à un changement de paradigme dans la conduite des études paléontologiques. Comme prévu d'après nos résultats préliminaires publiés dans Zacaï et al. (2021), les résultats du projet démontreront rapidement la force du couplage de la collecte/compilation de données spatialement informées avec des modèles numériques du climat mondial et de l'écologie marine, pour acquérir une compréhension mécaniste de l'évolution de la biodiversité à travers les âges géologiques. En raison de sa pluridisciplinarité et à plus long terme, cette (r)évolution méthodologique se répercutera de la paléontologie vers d'autres domaines des géosciences tels que la sédimentologie et la géochimie, qui sont régulièrement associées à la paléontologie dans des projets (inter)nationaux intégratifs. En identifiant de futures cibles d'échantillonnage, nécessairement en dehors des zones d'échantillonnage intensif de l'Amérique du Nord et de l'Europe, le projet ECO-BOOST aura également des conséquences économiques en favorisant les collaborations internationales avec les pays en développement, et des impacts sociétaux en contribuant activement à la décolonisation de la base de données scientifique (géoscientifique) (Raja et coll. 2022). Enfin, notre projet aura des répercussions majeures dans le domaine culturel, en imposant un changement radical dans notre vision de la coévolution de la Vie et de l'environnement physique dans le passé géologique. En termes simples, nos résultats mettront fin aux dogmes antérieurs liés à l'apparition de formes complexes de Vie, d'abord dans la communauté scientifique et, à moyen terme, dans le domaine public (une fois les manuels scolaires mis à jour). Au-delà de l'exploitation académique et publique directe des résultats, les développements de codes numériques (WP4, WP5 et WP6 en particulier) seront rendus publics sur GitHub, ce qui favorisera la poursuite des recherches sur la co-évolution de la vie et de l'environnement, avec de nombreuses implications pour le développement de la prochaine génération de modèles couplés climat-biodiversité utilisés pour la prévision du changement climatique en cours et, en fin de compte, pour les décisions des décideurs politiques.

Beaugrand, G., 2023. Towards an understanding of large-scale biodiversity patterns on land and in the sea. Biology 12, 339. doi.org/10.3390/biology12030339
Dupichaud, C., Lefebvre, B., Milne, C.H., Mooi, R., Nohejlová, M., Roch, R., Saleh, F. & Zamora, S., 2023. Solutan echinoderms from the Fezouata Shale Lagerstätte (Lower Ordovician, Morocco): diversity, exceptional preservation, and palaeoecological implications. Frontiers in Ecology and Evolution 11, 1290063. doi.org/10.3389/fevo.2023.1290063
Guenser, P., Nohejlová, M., Nardin, E. & Lefebvre, B., 2023. A methodological scheme to analyse the early Palaeozoic biodiversification with the example of echinoderms. Estonian Journal of Earth Sciences 72, 130. doi.org/10.3176/earth.2023.32
He, R., Pohl, A., Prow, A., Jiang, G., Huan, C.C., Saltzman, M.R. & Lu, Z., 2024. The dynamic ocean redox evolution during the late Cambrian SPICE: Evidence from the I/Ca proxy. Global and Planetary Change 233, 104354. doi.org/10.1016/j.gloplacha.2024.104354
Lefebvre, B. & Servais, T., 2023. Filling knowledge gaps in the Ordovician radiations. Geobios 81, 1–5. doi.org/10.1016/j.geobios.2023.10.001
Ontiveros, D.E., Beaugrand, G., Lefebvre, B., Marcilly, C.M., Servais, T., Pohl, A., 2023. Impact of global climate cooling on Ordovician marine biodiversity. Nature Communications 14, 6098. doi.org/10.1038/s41467-023-41685-w
Pohl, A., Nardin, E., Vandenbroucke, T.R.A. & Donnadieu, Y., 2023a. The Ordovician ocean circulation: a modern synthesis based on data and models. Geological Society of London, Special Publications 532, 157–169. doi.org/10.1144/SP532-2022-1
Pohl, A., Stockey, R.G., Dai, X., Yohler, R., Le Hir, G., Hülse, D., Brayard, A., Finnegan, S. & Ridgwell, A., 2023b. Why the Early Paleozoic was intrinsically prone to marine extinction. Science Advances 9, adg7679. doi.org/10.1126/sciadv.adg7679
Saleh, F., Lustri, L., Gueriau, P., Potin, G.J.M., Pérez-Peris, F., Laibl, L., Jamart, V., Vite, A., Antcliffe, J.B., Daley, A.C., Nohejlová, M., Dupichaud, C., Schöder, S., Bérard, E., Lynch, S., Drage, H.B., Vaucher, R., Vidal, M., Monceret, E., Monceret, S. & Lefebvre B., 2024. The Cabrières Biota (France) provides insights into Ordovician polar ecosystems. Nature Ecology & Evolution 8, 651-662. doi.org/10.1038/s41559-024-02331-w
Servais, T., Cascales-Miñana, B., Harper, D.A.T., Lefebvre, B., Munnecke, A., Wang, W.H. & Zhang, Y.D., 2023. No (Cambrian) explosion and no (Ordovician) event: A single long-term radiation in the early Palaeozoic. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 623, 111592 doi.org/10.1016/j.palaeo.2023.111592
Servais, T., Harper, D.A.T. & Wang, W.H., 2023. Editorial Preface to Special issue: The radiations within the Great Ordovician Biodiversification Event. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 632, 111838. doi.org/10.1016/j.palaeo.2023.111838

Le Paléozoïque inférieur enregistre la plus importante diversification des écosystèmes marins de toute l'histoire de la Terre, avec deux événements majeurs : "l'Explosion cambrienne" et "la Grande biodiversification ordovicienne". Cependant, ces dernières années, il est devenu évident que ces deux "événements" ont été étudiés avec des intensités très inégales d'une région à l'autre, d'où l'existence de forts biais d'échantillonnage dans les bases de données. De plus, des fossiles exceptionnellement préservés typiques de "l'Explosion cambrienne" ont été découverts récemment dans l'Ordovicien. Nous émettons donc l'hypothèse que les "explosions" mondiales de la diversité ne se sont jamais produites, mais que l'évolution de la biodiversité marine résulte de processus spatio-temporellement complexes, qui se sont échelonnés entre la fin du Précambrien et une grande partie du Paléozoïque inférieur. Notre objectif principal est de reporter toutes les données des archives marines fossiles sur de nouvelles cartes paléogéographiques, en combinaison avec une modélisation climatologique, géographique et macro-écologique, afin de réaliser des comparaisons de données / de modèles et des reconstitutions de la biodiversité. Cela permettra de replacer, pour la première fois, l'évolution des premiers écosystèmes marins dans leur contexte spatio-temporel et par exemple, d'identifier l'emplacement des « points chauds » de la biodiversité ou encore, la mise en place du premier gradient de diversité latitudinal (LDG) et son évolution dans le temps. Cette modélisation produira des prédictions paléoclimatologiques, paléoécologiques et biogéographiques testables, à l'origine de modèles spatio-temporels pour la biodiversité marine au cours du Cambrien et de l'Ordovicien. Notre projet propose ainsi de combiner des approches empiriques et de modélisation, avec de nouveaux outils qui n'ont encore jamais été appliqués aux écosystèmes marins du Paléozoïque inférieur.