L’évolution des ailes a non seulement permis aux anciens insectes de devenir les premières créatures sur Terre à prendre leur envol, mais a également propulsé leur ascension pour devenir l’une des grandes réussites de la nature, selon une nouvelle étude.
Comprenant jusqu’à 10 millions d’espèces vivantes, les insectes se trouvent aujourd’hui sur les sept continents et occupent toutes les niches terrestres imaginables. Mais selon les archives fossiles, ils étaient rares avant environ 325 millions d’années, dépassés par leurs cousins arthropodes les arachnides (araignées, scorpions et acariens) et les myriapodes (centipèdes et mille-pattes).
Le plus ancien fossile d’insecte confirmé est celui d’une créature sans ailes, ressemblant à un poisson argenté, qui vivait il y a environ 385 millions d’années. Ce n’est qu’environ 60 millions d’années plus tard, pendant une période de l’histoire de la Terre connue sous le nom de Pennsylvanien, que les fossiles d’insectes deviennent abondants.
« Il y a eu pas mal de mystère autour de la façon dont les insectes sont apparus, parce que pendant plusieurs millions d’années, vous n’aviez rien, et puis tout d’un coup une explosion d’insectes », a déclaré le premier auteur de l’étude Sandra Schachat, un étudiant diplômé à l’École de la Terre, de l’énergie &des sciences de l’environnement (Stanford Earth).
De nombreuses idées ont été proposées pour expliquer cette curieuse lacune dans le registre des fossiles d’insectes, que les scientifiques ont surnommé le Hexapod Gap.
Selon une hypothèse populaire, la taille et l’abondance des insectes étaient limitées par la quantité d’oxygène disponible dans l’atmosphère terrestre à la fin du Dévonien.
La preuve la plus solide de cette théorie est un modèle de l’oxygène atmosphérique au cours des 570 derniers millions d’années que feu le géologue de Yale Robert Berner a développé en comparant les ratios d’oxygène et de carbone dans les roches anciennes et les fossiles.
Selon le modèle de Berner, le niveau d’oxygène atmosphérique il y a environ 385 millions d’années, au début du fossé hexapode, était inférieur à 15 %, si bas que les feux de forêt n’auraient pas été viables. (À titre de comparaison, la concentration d’oxygène atmosphérique d’aujourd’hui est d’environ 21 pour cent.)
Une autre possibilité est que les insectes étaient abondants avant 323 millions d’années, mais n’apparaissent pas dans les archives fossiles parce que les types de sédiments terrestres capables de les préserver n’ont pas survécu.
Pas d’excuses
Dans la nouvelle étude, publiée cette semaine dans la revue Royal Society Proceedings B, Schachat et ses collègues ont testé ces deux arguments – que le faible taux d’oxygène a limité les insectes ou que les roches n’étaient pas bonnes pour préserver les fossiles. Tout d’abord, l’équipe a mis à jour le modèle de Berner, vieux de près de dix ans, en utilisant des enregistrements de carbone actualisés.
Lorsqu’ils ont fait cela, le creux de l’oxygène atmosphérique pendant la fin du Dévonien disparaît. « Ce que cette étude montre, c’est que l’inhibition environnementale par un faible taux d’oxygène peut être écartée car elle n’est pas compatible avec les données les plus récentes », a déclaré le coauteur de l’étude et paléontologue de la Terre à Stanford, Jonathan Payne.
Pour tester l’hypothèse des « mauvaises roches », l’équipe a analysé une base de données publique des types de roches nord-américaines pour différentes périodes de l’histoire de la Terre et n’a rien trouvé d’inhabituel dans les sédiments de la fin du Dévonien. « Les roches auraient pu contenir des fossiles d’insectes. Le fait qu’elles n’en contiennent pas indique que la pénurie d’insectes pendant cette période est réelle et n’est pas seulement un artefact de la malchance de la préservation », a déclaré Schachat, qui est également membre de la Smithsonian Institution à Washington, DC.
Un effet transformateur
Non seulement les deux explications les plus populaires du fossé hexapode semblent être infondées, mais les scientifiques ont déclaré qu’une étude du registre des fossiles d’insectes suggère que le fossé hexapode lui-même pourrait être une illusion.
Dans le cadre de la nouvelle étude, l’équipe a réexaminé le registre des fossiles d’insectes anciens et n’a trouvé aucune preuve directe d’ailes avant ou pendant le fossé hexapode. Mais dès l’apparition des ailes, il y a 325 millions d’années, les fossiles d’insectes deviennent beaucoup plus abondants et diversifiés.
« Le registre fossile ressemble exactement à ce que l’on pourrait attendre si les insectes étaient rares jusqu’à ce qu’ils évoluent vers des ailes, et à ce moment-là, ils ont très rapidement augmenté en diversité et en abondance », a déclaré Payne.
Schachat a déclaré qu’il est remarquable que les deux premiers insectes ailés dans le registre fossile soient un insecte de type libellule et un insecte de type sauterelle. Ceux-ci représentent les deux principaux groupes d’insectes ailés : les libellules ont des « anciennes ailes », qu’elles ne peuvent pas replier sur leur abdomen, et les sauterelles ont des « nouvelles ailes », qui sont pliables.
« Les deux premiers insectes ailés dans les archives fossiles sont à peu près aussi différents l’un de l’autre que vous pouvez vous y attendre », a déclaré Schachat. « Cela suggère que, une fois que les insectes ailés sont apparus, ils se sont diversifiés très, très rapidement. Si rapidement que leur diversification semble, d’un point de vue géologique et des preuves disponibles dans le registre fossile, avoir été instantanée. »
Nouvelles niches
Etre les premiers et seuls animaux capables de voler aurait été extrêmement puissant. Le vol a permis aux insectes d’explorer de nouvelles niches écologiques et leur a fourni de nouveaux moyens de s’échapper. « Tout d’un coup, votre abondance peut augmenter parce que vous pouvez simplement échapper à vos prédateurs beaucoup plus facilement », a déclaré Schachat. « Vous pouvez également manger les feuilles qui se trouvent au sommet d’un arbre sans avoir à remonter tout l’arbre. »
Les insectes volants pourraient également créer des niches qui n’existaient pas auparavant. « Imaginez un insecte omnivore qui vole jusqu’au sommet des arbres pour se nourrir », a déclaré Schachat. « Tout à coup, il y a une niche pour un prédateur qui peut voler jusqu’au sommet de l’arbre pour manger cet insecte. Les ailes ont permis aux insectes d’élargir la suite des niches qu’ils peuvent remplir. C’était vraiment révolutionnaire. »
Bien que la nouvelle étude lie l’évolution du vol à l’ascension des insectes, elle soulève de nouvelles questions sur comment et pourquoi ils ont évolué vers des ailes en premier lieu, a déclaré le coauteur de l’étude Kevin Boyce, professeur associé de sciences géologiques à Stanford Earth. « Au Dévonien, il n’y avait que quelques insectes, tous dépourvus d’ailes », a déclaré Boyce. « Mais vous sortez de l’autre côté et nous avons le vol. Que s’est-il passé entre les deux ? Bonne question. »
Payne est également membre de Stanford Bio-X et affilié au Stanford Woods Institute for the Environment. L’article comprend également des coauteurs de la Smithsonian Institution, de l’Ohio State University et de l’University of Iowa.
Le financement de l’étude a été assuré par la National Science Foundation.